JP4267566B2 - Method for manufacturing gate electrode - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置とその製法に係り、特に、不良事象に応じて規定される厚み以下に分割された多結晶層を積層した薄膜構造、或いは多結晶層と、各多結晶層間を分離するための該多結晶層とは主成分が異なる材料層とを積層した薄膜構造を有する半導体装置、及びその装置の製造方法と製造装置、更には半導体装置の不良事象を防止する多結晶層の膜厚決定方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to separate a thin film structure in which a polycrystalline layer divided into a thickness less than or equal to a thickness determined according to a failure event, or a polycrystalline layer, and each polycrystalline layer. A semiconductor device having a thin film structure in which material layers different in main component from the polycrystalline layer are laminated, a method and apparatus for manufacturing the semiconductor device, and a film thickness of the polycrystalline layer for preventing a defective event of the semiconductor device It relates to the decision method.
近年、非晶質材料が、等方性かつ均質な材料が得られるという長所を活かして、半導体装置材料、磁性材料として様々な用途に使用されている。半導体装置の材料としては非晶質シリコンが一様な不純物濃度を容易に得ることを目的によく利用されている。 In recent years, amorphous materials have been used in various applications as semiconductor device materials and magnetic materials, taking advantage of the fact that isotropic and homogeneous materials can be obtained. As a material for semiconductor devices, amorphous silicon is often used for the purpose of easily obtaining a uniform impurity concentration.
シリコン薄膜は半導体基板表面に多結晶シリコン層として成膜すると膜内に生じる応力は数百MPa以下と十分に低いが、半導体基板表面に非晶質層を成膜した後、他の材料を成膜する、或いは他層に生じた応力を緩和するための熱処理を施す、或いは成膜した前記非晶質材料を結晶化させる等の目的で、先に被着した非晶質材料が結晶化する温度よりも高温にさらされる場合、前記非晶質材料の結晶化に伴って膜体積が収縮するため、1000MPaに達する極めて大きな引張り応力が膜内に発生する場合がある。 When a silicon thin film is formed as a polycrystalline silicon layer on the surface of a semiconductor substrate, the stress generated in the film is sufficiently low at several hundred MPa or less, but after forming an amorphous layer on the surface of the semiconductor substrate, other materials are formed. The previously deposited amorphous material is crystallized for the purpose of filming, heat treatment to relieve stress generated in other layers, or crystallizing the deposited amorphous material. When exposed to a temperature higher than the temperature, the film volume shrinks with the crystallization of the amorphous material, so that a very large tensile stress reaching 1000 MPa may be generated in the film.
この応力発生に起因した半導体基板の反り変形、或いは半導体装置内に発生する膜のはく離、膜内での割れ、結晶欠陥(転位等)等によって、製品の信頼性を著しく劣化させる場合が生じた。これらの不良を防止するため、例えば特開昭63−260052号公報に記載のように、膜内に圧縮応力を生じている膜及び膜内に引張り応力を生じている膜を積層させて、トータルの応力を低応力化する方法が図られていた。 The reliability of the product may be significantly deteriorated due to warpage deformation of the semiconductor substrate caused by this stress generation, film peeling in the semiconductor device, cracks in the film, crystal defects (dislocations, etc.), etc. . In order to prevent these defects, for example, as described in JP-A-63-260052, a film in which a compressive stress is generated in the film and a film in which a tensile stress is generated in the film are laminated, There has been a method of reducing the stress of the material.
尚、この他半導体装置における多結晶シリコン膜の積層形成に関して、特開昭63−29954号公報や特開平3−3326号公報記載の技術がある。これらの技術は互いに種類の異なる材料を積層する技術である。 In addition, there are techniques described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-29954 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-3326 regarding the formation of stacked polycrystalline silicon films in semiconductor devices. These techniques are techniques for laminating different types of materials.
しかし、半導体基板の表面に非晶質層を成膜し、結晶化させて多結晶相にするとき、膜が厚いほど結晶粒が大きくなり、体積収縮の割合が大きくなる傾向があるため、成膜した膜厚によっては各成膜層間の接着強度或いは成膜層の材料強度よりも、結晶化した前記非晶質材料層に生じた引張り応力が大きくなり、層間はく離、層内での割れ等の不良が発生する。 However, when an amorphous layer is formed on the surface of a semiconductor substrate and crystallized into a polycrystalline phase, the thicker the film, the larger the crystal grains and the greater the volume shrinkage. Depending on the film thickness, the tensile strength generated in the crystallized amorphous material layer may be larger than the adhesion strength between the respective film-forming layers or the material strength of the film-forming layer, and the interlayer peeling, cracks in the layer, etc. Defects occur.
また、半導体装置内に前記欠陥が発生しない場合においても、露光時に支障を来すような反り変形がウエハに生じる原因となったり、非晶質材料の膜界面のひずみ増大に伴う転位密度の増加によって、電気伝導性、配線抵抗の増大等の半導体装置内の電気特性の劣化の原因となる等、発生応力を制御するためには成膜するときの膜厚に制限を設ける必要があった。 In addition, even when the defect does not occur in the semiconductor device, warping deformation that causes trouble during exposure occurs in the wafer, or the dislocation density increases due to increased strain at the film interface of the amorphous material. Therefore, in order to control the generated stress, it is necessary to limit the film thickness at the time of film formation, such as causing deterioration of electric characteristics in the semiconductor device such as increase in electric conductivity and wiring resistance.
本願明細書では半導体装置内に発生する応力の増大に起因する様々な不良を総称して、“半導体装置の不良事象”と呼ぶことにする。また、これらの不良事象を起こさない許容応力値は、半導体装置製造工程の違い、積層膜が半導体装置に用いられている部分の違い、材料物性、対応する不良事象によって様々に変化するため、この半導体装置の不良事象を起こさない許容応力値を“臨界応力値”と呼ぶこととする。 In the present specification, various failures caused by an increase in stress generated in the semiconductor device are collectively referred to as “semiconductor device failure events”. In addition, the allowable stress value that does not cause these failure events varies depending on the difference in the manufacturing process of the semiconductor device, the difference in the portion where the laminated film is used in the semiconductor device, the material properties, and the corresponding failure event. An allowable stress value that does not cause a failure event of the semiconductor device is referred to as a “critical stress value”.
非晶質材料相膜を結晶化させた多結晶材料相膜の膜厚が薄い場合は、結晶粒が微細化され発生応力が低くなり、前記のような不良は発生しないが、膜内に流せる許容電流が制限されたり、通電時における膜内の過大な電流によって生じるエレクトロマイグレーション等の不良の原因となり、非晶質材料相膜を結晶化させた多結晶材料相膜を、適正な厚さに成膜することは困難であった。 When the film thickness of the polycrystalline material phase film obtained by crystallizing the amorphous material phase film is thin, the crystal grains are refined and the generated stress is reduced, and the above-mentioned defects do not occur, but can flow in the film. The polycrystalline material phase film obtained by crystallizing the amorphous material phase film to an appropriate thickness may cause a failure such as electromigration caused by excessive current in the film when current is limited It was difficult to form a film.
本発明の目的は以下の通りである。
(1)非晶質層の堆積工程と該非晶質材料の結晶化工程を有する薄膜の製造方法において、後の工程で結晶化される非晶質層を含む、導電性の薄膜構造の膜厚を、設計仕様上必要とする厚さに成膜することができ、且つ製造される半導体装置の電気特性の劣化と、層間剥離、層内での割れ、結晶欠陥等の不良が起こらない半導体装置の製造方法を提供することにある。
(2)また(1)の課題に対して提供される半導体装置の製造方法によって、欠陥発生が防止された高い信頼性をもつ半導体装置を提供することにある。
(3)或いは非晶質層の堆積工程と該非晶質材料の結晶化工程が行える薄膜製造装置において、非晶質層を成膜する工程と、その非晶質材料を結晶化させる工程を、自動制御によって、製造途中の薄膜を大気開放せず、一貫した工程内にて行われる薄膜製造装置を提供することにある。
(4)或いは上記(1)〜(3)の本発明の目的を達成するため、経験的にではなく、不良事象を確実に防止する、1回に堆積できる非晶質層の厚さの上限値を決定する方法を提供することにある。
The objects of the present invention are as follows.
(1) In a thin film manufacturing method including an amorphous layer deposition step and a crystallization step of the amorphous material, the film thickness of a conductive thin film structure including an amorphous layer crystallized in a later step Can be formed to a thickness required for the design specifications, and the semiconductor device is free from deterioration of electrical characteristics of the manufactured semiconductor device, delamination, cracks in the layer, crystal defects, etc. It is in providing the manufacturing method of.
(2) Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device in which defects are prevented from occurring by the semiconductor device manufacturing method provided for the problem (1).
(3) Or, in a thin film manufacturing apparatus capable of performing an amorphous layer deposition step and a crystallization step of the amorphous material, a step of forming an amorphous layer and a step of crystallizing the amorphous material, An object of the present invention is to provide a thin film manufacturing apparatus which is performed in a consistent process without automatically releasing a thin film being manufactured to the atmosphere by automatic control.
In order to achieve the object of the present invention of (4) or (1) to (3) above, the upper limit of the thickness of the amorphous layer that can be deposited at one time is reliably prevented rather than empirically. It is to provide a method for determining a value.
上記目的を達成するため、本発明は以下の特徴を備える。
本発明の半導体装置は導電性の薄膜を有するものであって、(1)薄膜の少なくとも一部は膜厚方向に分割された積層構造を成し、かつ分割による各層の主成分は同一元素又は同一化合物であること(特に主成分がシリコン原子を含む材料又は金属シリサイドである場合に効果的である。ドープにより各層の材質が異なっても差し支えない。)、(2)薄膜の少なくとも一部は膜厚方向に分割された積層構造を成し、かつ分割による各層内の平均結晶粒径がその分割層厚の約1/2倍から約10倍までであること(例えば分割された膜厚と同等であるか同じオーダであることか或いは数分の1〜数倍程度である)、及び/又は(3)薄膜の少なくとも一部は膜厚方向に分割された積層構造を成し、かつ各層厚は半導体装置の不良事象に応じて決定される臨界応力値にて規定される厚さ以下であること、を特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention has the following features.
The semiconductor device of the present invention has a conductive thin film, (1) at least a part of the thin film has a laminated structure divided in the film thickness direction, and the main component of each layer by division is the same element or (2) At least part of the thin film is the same compound (especially effective when the main component is a material containing silicon atoms or metal silicide. The material of each layer may be different depending on the doping). The layered structure is divided in the film thickness direction, and the average crystal grain size in each layer is about ½ to about 10 times the divided layer thickness (for example, the divided film thickness and And / or (3) at least a part of the thin film has a laminated structure divided in the film thickness direction, and each layer. Thickness depends on semiconductor device failure event Or less thick which is defined by a constant to be critical stress value, characterized by.
いずれにせよ、半導体装置は導電性の同一材料からなる薄膜構造体を有するものでありその膜厚方向に少なくとも1回以上分割されていることが好ましい。また薄膜は2層以上の多結晶層からなること、電極(特に望ましくはゲート電極)、配線層の群から選ばれる部分に適用されることが好ましい。また前記多結晶層の各層間を分離する位置に多結晶層とは異なる材料の層があることも有効である。更に膜厚方向に分割された薄膜の各分割層内の不純物濃度が隣接した層間の少なくとも一つの層間で異なることも有効である。 In any case, the semiconductor device has a thin film structure made of the same conductive material, and is preferably divided at least once in the film thickness direction. The thin film is preferably composed of two or more polycrystalline layers, and is applied to a portion selected from the group of an electrode (particularly desirably a gate electrode) and a wiring layer. It is also effective to have a layer made of a material different from that of the polycrystalline layer at a position separating the layers of the polycrystalline layer. Further, it is also effective that the impurity concentration in each divided layer of the thin film divided in the film thickness direction differs between at least one adjacent layer.
或いは本発明の半導体装置は半導体基板表面に溝又は凹凸部を有するものであって、半導体基板表面の一部又は全部の溝又は凹凸部に少なくとも半導体基板表面と溝又は凹凸部とがなす角の部位を覆うように導電性の多層薄膜を形成し、かつ各層の主成分は同一元素又は同一化合物であることを特徴とする。この場合、導電性多層薄膜は多結晶相であり、かつ薄膜を構成する各層厚が半導体装置の不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚さ以下であることが好ましい。 Alternatively, the semiconductor device of the present invention has a groove or an uneven portion on the surface of the semiconductor substrate, and at least an angle formed by the surface of the semiconductor substrate and the groove or the uneven portion on a part or all of the groove or the uneven portion on the surface of the semiconductor substrate. A conductive multilayer thin film is formed so as to cover the part, and the main component of each layer is the same element or the same compound. In this case, the conductive multilayer thin film is preferably in a polycrystalline phase, and the thickness of each layer constituting the thin film is preferably equal to or less than the thickness defined by the critical stress value determined according to the failure event of the semiconductor device.
また前記多結晶層の各層間を分離する位置に多結晶層とは異なる材料の層があることも有効である。更に膜厚方向に分割された薄膜の各分割層内の不純物濃度が隣接した層間の少なくとも一つの層間で異なることも有効である。 It is also effective to have a layer made of a material different from that of the polycrystalline layer at a position separating the layers of the polycrystalline layer. Further, it is also effective that the impurity concentration in each divided layer of the thin film divided in the film thickness direction differs between at least one adjacent layer.
或いは本発明の半導体装置は、金属シリサイド薄膜が膜厚方向に少なくても1回以上分割された積層構造体となっていることを特徴とする。 Alternatively, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the metal silicide thin film has a laminated structure divided at least once in the film thickness direction.
更に本発明の半導体装置の実施態様は次の通りである。
〔1〕非晶質層の堆積工程と非晶質材料の結晶化工程により得られる多結晶層を有し、主成分が同一材料からなる多結晶層が少なくとも2層以上連続的に積層されている。〔2〕積層した多結晶層の各々の膜厚が半導体装置の不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚さ以下である。〔3〕ゲート電極を有する半導体装置において、半導体基板上の全て或いは一部のゲート電極構造に主成分が同一材料からなる多結晶層が少なくとも2層以上連続的に積層されている。
Furthermore, embodiments of the semiconductor device of the present invention are as follows.
[1] A polycrystalline layer obtained by an amorphous layer deposition step and an amorphous material crystallization step, wherein at least two or more polycrystalline layers made of the same material are continuously laminated. Yes. [2] The thickness of each of the stacked polycrystalline layers is equal to or less than the thickness defined by the critical stress value determined according to the failure event of the semiconductor device. [3] In a semiconductor device having a gate electrode, at least two or more polycrystalline layers composed of the same material as a main component are continuously stacked on all or part of a gate electrode structure on a semiconductor substrate.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に非晶質層を堆積する工程と堆積非晶質材料を結晶化する工程とを有するものにおいて、(1)非晶質層の堆積工程を複数回に分割し、各非晶質層の堆積工程ごとに前記結晶化工程を行うこと、或いは(2)非晶質層の堆積工程を複数回に分割し、各非晶質層の堆積工程ごとに各非晶質層間を分離するために主成分が非晶質材料と異なる材料を堆積させ、少なくとも全工程終了後に堆積させた非晶質材料を結晶化させることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of depositing an amorphous layer on a semiconductor substrate and a step of crystallizing the deposited amorphous material. (1) A step of depositing an amorphous layer Dividing into a plurality of times, and performing the crystallization step for each amorphous layer deposition step, or (2) dividing the amorphous layer deposition step into a plurality of times to deposit each amorphous layer. In order to separate the amorphous layers from one another, a material whose main component is different from the amorphous material is deposited, and the deposited amorphous material is crystallized at least after the completion of all the steps.
(2)の場合、非晶質材料がシリコンであり、各非晶質層間を分離するための主成分が該非晶質材料と異なる材料がシリサイド反応を生じる金属であることが好ましい。 In the case of (2), it is preferable that the amorphous material is silicon, and a material whose main component for separating each amorphous layer is different from the amorphous material is a metal that causes a silicide reaction.
いずれかにせよ本発明の半導体装置の製造方法は、複数回に分割して堆積する非晶質層内の不純物濃度が隣接して堆積する層の少なくとも一つの層間で異なること、或いは非晶質材料を結晶化させる工程が非晶質層の全面か又は選択的に非晶質層の局所部分のみのレーザ照射による非晶質材料の結晶化工程であることが好ましい。 In any case, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the impurity concentration in the amorphous layer deposited by dividing into a plurality of times is different between at least one of the adjacent deposited layers, or is amorphous. It is preferable that the step of crystallizing the material is a step of crystallizing the amorphous material by laser irradiation of the entire surface of the amorphous layer or selectively only a local portion of the amorphous layer.
本発明の薄膜の製造方法は、非晶質層の堆積工程と非晶質材料の結晶化工程を有する方法であって、(1)非晶質層の堆積工程を複数回に分割し、各非晶質層の堆積工程ごとに前記結晶化工程を行うこと、(2)複数回に分割して堆積する非晶質層内の不純物濃度が、隣接して堆積する層の少なくとも一つの層間で異なること、(3)非晶質層の堆積工程を複数回に分割し、各非晶質層の堆積工程ごとに各非晶質層間を分離するために主成分が非晶質材料と異なる材料を堆積させ、少なくとも全工程終了後に堆積させた非晶質材料を結晶化させること、(4)非晶質材料を結晶化させる工程が、非晶質層の全面の、或いは選択的に非晶質層の局所部分のみの、レーザ照射による非晶質材料の結晶化工程であること、のいずれかを特徴とする。 The method for producing a thin film of the present invention is a method having an amorphous layer deposition step and an amorphous material crystallization step, wherein (1) the amorphous layer deposition step is divided into a plurality of times, Performing the crystallization step for each deposition step of the amorphous layer, and (2) the impurity concentration in the amorphous layer deposited in a plurality of times is divided between at least one of the adjacent deposited layers. (3) A material whose main component is different from an amorphous material in order to divide the amorphous layer deposition process into a plurality of times and to separate each amorphous layer for each amorphous layer deposition process And (4) the step of crystallizing the amorphous material is performed on the entire surface of the amorphous layer or selectively amorphous. It is characterized in that it is a crystallization process of an amorphous material by laser irradiation only in a local portion of the porous layer.
或いは本発明の薄膜の製造方法は、シリコン薄膜と金属薄膜を積層してシリサイド反応を生じさせ、金属シリサイド薄膜を得る方法であって、金属薄膜とシリコン薄膜を少なくてもそれぞれ2回以上積層させ、かつ各積層膜厚が不良事象で規定される膜厚以下であり、シリサイド反応を生じさせることで金属シリサイド薄膜を作製することを特徴とする。 Alternatively, the thin film manufacturing method of the present invention is a method of obtaining a metal silicide thin film by laminating a silicon thin film and a metal thin film, wherein the metal thin film and the silicon thin film are laminated at least twice each. Each of the stacked film thicknesses is equal to or less than the film thickness defined by the failure event, and a metal silicide thin film is produced by causing a silicide reaction.
またいずれにせよ本発明の薄膜の製造方法は、1回に堆積する各非晶質層の膜厚が不良事象に応じて決定される臨界応力値で規定される膜厚以下であることが好ましい。 In any case, in the thin film manufacturing method of the present invention, it is preferable that the thickness of each amorphous layer deposited at one time is equal to or less than the thickness defined by the critical stress value determined in accordance with the failure event. .
本発明の半導体装置の製造装置は、非晶質層の堆積工程と非晶質材料の結晶化工程を行う装置であって、半導体基板を中に設置するチャンバと、半導体基板を支持する治具と、チャンバ内温度及び基板温度を調節する加熱装置と、チャンバ内に流すガスの種類に対応した数のガスの流入量を調節する装置と、チャンバ内のガスの圧力を調節する装置と、チャンバ内から排気を行うための排気装置と、チャンバ、加熱装置、流入量調節装置、ガス圧力調節装置、及び排気装置を自動制御する装置とを有し、大気開放せずに、連続的、或いは断続的な複数回数の非晶質膜の堆積とその結晶化を行う工程を制御装置にて制御しながら半導体基板上に積層薄膜構造を形成することを特徴とする。 A semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention is an apparatus for performing an amorphous layer deposition step and an amorphous material crystallization step, a chamber in which a semiconductor substrate is placed, and a jig for supporting the semiconductor substrate A heating device for adjusting the temperature in the chamber and the substrate temperature, a device for adjusting the inflow amount of the gas corresponding to the type of gas flowing in the chamber, a device for adjusting the pressure of the gas in the chamber, and the chamber It has an exhaust device for exhausting from the inside, and a chamber, a heating device, an inflow control device, a gas pressure control device, and a device that automatically controls the exhaust device, and is continuously or intermittently without opening to the atmosphere. A multilayer thin film structure is formed on a semiconductor substrate while controlling a process for depositing and crystallizing a plurality of amorphous films by a control device.
この装置においては、少なくとも1つ以上のレーザ照射装置と、レーザ照射装置を自動制御する装置とを有して、半導体装置製造工程を自動制御することによって、非晶質層の全面の結晶化或いは局所的な結晶化を行うことが可能である。 In this apparatus, at least one laser irradiation apparatus and an apparatus for automatically controlling the laser irradiation apparatus are provided, and the semiconductor device manufacturing process is automatically controlled to crystallize the entire surface of the amorphous layer. It is possible to perform local crystallization.
更に本発明の膜厚の決定方法は、非晶質層の堆積工程と非晶質材料の結晶化工程を行う薄膜の堆積膜厚を決定する方法であって、非晶質層の膜厚と非晶質材料が結晶化することによって得られる多結晶層に生じる平均結晶粒径との関係と、非晶質材料が結晶化することによって得られる多結晶層の膜厚と生じる応力との関係から、不良事象に応じて決定される臨界応力値以下に1回に堆積する非晶質層の膜厚を決定することを特徴とする。 Further, the film thickness determining method of the present invention is a method for determining the deposited film thickness of a thin film for performing the amorphous layer deposition step and the amorphous material crystallization step, Relationship between the average crystal grain size generated in the polycrystalline layer obtained by crystallization of the amorphous material and the thickness of the polycrystalline layer obtained by crystallization of the amorphous material and the resulting stress From the above, it is characterized in that the film thickness of the amorphous layer deposited at one time is determined below the critical stress value determined according to the failure event.
ここで本願明細書にて用いる用語について以下に補足説明する。
主成分;積極的にドーピングするための不純物と、ガスやターゲット等の原料にもともと含まれている不純物と、製造工程中に止む無く混入してしまう不純物の計三者の不純物を除いた部分を言う。
Here, the terms used in the present specification will be supplementarily described.
Main component: Impurities for active doping, impurities originally contained in raw materials such as gases and targets, and impurities that are inevitably mixed in during the manufacturing process are excluded. To tell.
(薄膜の)導電性;金属や半導体の示す導電性をいう。室温における半導体の体積抵抗率は金属と絶縁体の中間の10−5〜108Ω・m(10−5〜108)Ω・m程度である。体積抵抗率は不純物濃度が高い程低く、絶対零度では0に近い値を示す。従って本発明では薄膜の体積抵抗率が108Ω・m(108Ω・m)以下である場合、導電性があるという。 Conductivity (of thin film); refers to conductivity exhibited by metals and semiconductors. The volume resistivity of the semiconductor at room temperature intermediate 10 metal and an insulator - a 5~108Ω · m (10 -5 ~10 8 ) Ω · about m. The volume resistivity is lower as the impurity concentration is higher, and shows a value close to 0 at absolute zero. Therefore, in the present invention, when the volume resistivity of the thin film is 10 8 Ω · m (10 8 Ω · m) or less, it is said to be conductive.
(堆積膜面内方向の)平均結晶粒径;堆積膜の不純物濃度、加熱条件によって結晶核発生密度が異なり、結晶化が起こる条件によっては約1/2倍〜約10倍となる。即ち本発明は、各分割層の膜厚に対し1/2倍〜10倍程度の粒径の結晶化(反応)が望ましい。 Average crystal grain size (in the in-plane direction of the deposited film); crystal nucleus generation density varies depending on the impurity concentration of the deposited film and heating conditions, and is about ½ times to about 10 times depending on conditions under which crystallization occurs. That is, in the present invention, crystallization (reaction) having a particle size of about 1/2 to 10 times the thickness of each divided layer is desirable.
シリサイド反応による層;積層時は非晶質でも多結晶でも良く、最終的にできた膜が多結晶であれば良い。 Layer by silicide reaction; when laminated, it may be amorphous or polycrystalline, and the final film may be polycrystalline.
半導体装置の不良事象;例えば層間はく離、或いは層内割れ、或いは結晶欠陥等の半導体装置内に発生する応力の増大に起因する様々な不良の総称。 A failure event of a semiconductor device; a generic term for various failures caused by an increase in stress generated in a semiconductor device such as delamination, inter-layer cracking, or crystal defect.
臨界応力値;半導体装置の不良事象を起こさない許容応力値のこと。不良事象を起こさない許容応力値は半導体装置製造工程の違い、積層膜が半導体装置に用いられる部分の違い、材料物性、対応する不良事象によって様々に変化する。 Critical stress value: An allowable stress value that does not cause a semiconductor device failure event. The allowable stress value that does not cause a failure event varies depending on the difference in the manufacturing process of the semiconductor device, the difference in the portion where the laminated film is used in the semiconductor device, the material properties, and the corresponding failure event.
トレンチ容量(trench capacitor);記憶容量が1Mビットを越すDRAMのメモリセルに用いられる容量のこと。シリコン基板に掘った深い溝の側壁に容量を作って面積を増やすと、微細化、高集積化の進展に伴って小さな占有面積でも大きな容量が得られる。 Trench capacitor; a capacity used for a DRAM memory cell having a storage capacity exceeding 1 Mbit. When the area is increased by creating a capacity in the side wall of a deep groove dug in the silicon substrate, a large capacity can be obtained even with a small occupied area as the miniaturization and higher integration progress.
LOCOS;素子間分離用シリコン酸化膜のこと。
一次再結晶(primary recrystallization);原子が規則正しく配列している範囲を結晶と考えるならば、非晶質状態である物質内にもミクロ的には結晶が存在していると考えることができるが、本願明細書でいう一次再結晶は非晶質物質が結晶の集合体に相変態すること、すなわち結晶化(反応)を意味する。一般的には、一次再結晶と呼べば、冷間加工等を行ったために結晶粒が粗大化し、かつ結晶欠陥を多く含んでいる部材を加熱したときに、粗大化した結晶粒が微細化することをいうが、本願においては、原子が活性化する温度にて微小結晶が粗大化する二次再結晶と区別し、平均粒径の大きさは一次再結晶にて生じる程度の大きさであることを強調してこの語句を用いた。
LOCOS: A silicon oxide film for element isolation.
Primary recrystallization (primary recrystallization): If the range in which atoms are regularly arranged is considered as a crystal, it can be considered that a crystal exists microscopically in a substance in an amorphous state. The primary recrystallization referred to in the present specification means that an amorphous substance undergoes phase transformation into an aggregate of crystals, that is, crystallization (reaction). Generally speaking, if it is called primary recrystallization, the crystal grains become coarse due to cold working, etc., and when the member containing many crystal defects is heated, the coarse grains become finer. In this application, however, the average grain size is such that it is generated by primary recrystallization, as distinguished from secondary recrystallization in which microcrystals become coarse at the temperature at which atoms are activated. I emphasized that and used this phrase.
半導体装置の製造において、非晶質層の成膜工程の後に一次の再結晶反応を生じる温度で該非晶質材料の結晶化工程を行う場合、非晶質材料を結晶化して得た膜の結晶粒径の大きさは膜厚のオーダになり、膜厚方向にはほとんど結晶粒界が存在しない膜が形成されることが一般的に知られている。 In the manufacture of a semiconductor device, when the crystallization step of the amorphous material is performed at a temperature that causes a primary recrystallization reaction after the film formation step of the amorphous layer, the crystal of the film obtained by crystallization of the amorphous material It is generally known that the size of the grain size is on the order of the film thickness, and a film having almost no crystal grain boundary in the film thickness direction is formed.
また、結晶粒界は原子配列方向が異なる結晶粒間の不整合部であるため、局所的に多くの欠陥(転位或いは原子空孔等)が存在している領域である。 In addition, since the crystal grain boundary is a mismatched portion between crystal grains having different atomic arrangement directions, it is a region where many defects (dislocations, atomic vacancies, etc.) exist locally.
非晶質材料が熱処理によって結晶化する過程においては、膜厚が厚い場合、結晶粒が大きくなり、結晶粒界(欠陥密度の高い領域)の膜全体に占める割合が小さくなる。そのため、膜体積の収縮割合が大きくなり、膜内に発生する引張り応力は高くなる。一方、膜厚が薄い場合には生じる結晶粒が小さく、結晶粒界の膜全体に占める割合が大きくなるため、膜体積の収縮割合が小さくなり、膜内に発生する引張り応力を低く抑えることができる。 In the process of crystallizing an amorphous material by heat treatment, when the film thickness is large, the crystal grains are large, and the ratio of the crystal grain boundary (region having a high defect density) to the entire film is small. Therefore, the contraction ratio of the film volume increases, and the tensile stress generated in the film increases. On the other hand, when the film thickness is small, the generated crystal grains are small, and the ratio of the crystal grain boundary to the entire film is large. Therefore, the contraction ratio of the film volume is reduced, and the tensile stress generated in the film can be kept low. it can.
尚、ここで述べる結晶粒径とは、結晶化反応が完了した多結晶薄膜の任意断面において膜表面に平行方向に隣接する結晶粒界間隔の平均値とする。 The crystal grain size described here is the average value of the distance between crystal grain boundaries adjacent in the direction parallel to the film surface in an arbitrary cross section of the polycrystalline thin film for which the crystallization reaction has been completed.
実際に、アモルファスシリコン薄膜を膜厚を変化させて堆積し、結晶化反応を起こさせた場合に、膜内部に結晶化反応に伴って発生した応力(結晶化応力)の測定例を図15に示す。図の横軸は堆積膜厚、縦軸は堆積した膜全体を一度に結晶化させた場合に結晶化反応に伴い膜内部に発生した応力である。このように、堆積膜厚が増加すると結晶化反応時に発生する応力が増加することが判る。 FIG. 15 shows a measurement example of stress (crystallization stress) generated along with the crystallization reaction in the film when an amorphous silicon thin film is actually deposited by changing the film thickness to cause a crystallization reaction. Show. The horizontal axis in the figure is the deposited film thickness, and the vertical axis is the stress generated in the film due to the crystallization reaction when the entire deposited film is crystallized at once. Thus, it can be seen that as the deposited film thickness increases, the stress generated during the crystallization reaction increases.
従って、薄膜のはがれや割れ、或いは単結晶基板内部の転位発生を防止するためには、結晶化反応で発生する応力を各不良事象で規定される臨界応力値以下となるように膜厚を制御することが有効となる。 Therefore, in order to prevent the peeling and cracking of the thin film or the occurrence of dislocations inside the single crystal substrate, the film thickness is controlled so that the stress generated by the crystallization reaction is less than the critical stress value specified by each failure event. It is effective to do.
本発明によれば、非晶質層の成膜工程を含む半導体装置の製造工程に於いて、1回に堆積する非晶質層の厚さを、不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚み以下に制限して、該非晶質材料を結晶化させる工程を行うことで、非晶質層を一次の再結晶化によって得られる多結晶層内に形成される結晶粒径の大きさは、堆積した非晶質層の膜厚のオーダに制限される。 According to the present invention, in the manufacturing process of a semiconductor device including a film forming process of an amorphous layer, the thickness of the amorphous layer deposited at a time is determined as a critical stress value determined according to a failure event. The crystal grain size of the amorphous layer formed in the polycrystalline layer obtained by the first recrystallization is limited by performing the step of crystallizing the amorphous material by limiting the thickness to a thickness defined by The size is limited to the order of thickness of the deposited amorphous layer.
よって得られる多結晶層内に形成される結晶粒径の大きさが制限されるため、多結晶層内に発生する応力を不良事象を発生させない臨界応力値以下に低減することができる。 Accordingly, since the size of the crystal grain size formed in the obtained polycrystalline layer is limited, the stress generated in the polycrystalline layer can be reduced to a critical stress value that does not cause a defective event.
この低応力化された多結晶層を積層することによって、薄膜構造体の膜厚を設計仕様上必要とされる厚さに成膜することができ、且つ製造される半導体装置の電気特性の劣化や、層間はく離、層内での割れ、結晶欠陥等の応力起因の不良を防止することができる。これに伴い、製造する半導体装置の高い製品信頼性、製品の高歩留まりを得ることが可能となる。 By laminating the low-stressed polycrystalline layer, the film thickness of the thin film structure can be formed as required by the design specifications, and the electrical characteristics of the semiconductor device to be manufactured are deteriorated. In addition, it is possible to prevent defects due to stress such as delamination, cracks in the layer, and crystal defects. Accordingly, it is possible to obtain high product reliability and high product yield of the semiconductor device to be manufactured.
また、非晶質層の堆積工程と該非晶質材料の結晶化工程が行える薄膜製造装置において、非晶質層を成膜する工程と、その非晶質材料を結晶化させる工程を、自動制御によって、製造途中の薄膜を大気開放せず、一貫した工程内にて行えることになる。 Further, in a thin film manufacturing apparatus that can perform an amorphous layer deposition process and a crystallization process of the amorphous material, the process of forming the amorphous layer and the process of crystallizing the amorphous material are automatically controlled. Therefore, the thin film in the middle of manufacture can be performed in a consistent process without opening it to the atmosphere.
以上説明したように、本発明に基づく半導体装置の製造方法を用いることによって、1回に堆積する非晶質層の厚さを不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚さ以下にして(一次の再)結晶化することにより、結晶化によって多結晶層内に発生する応力を低減することが可能となる。 As described above, by using the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the thickness of the amorphous layer deposited at one time is determined by the critical stress value determined according to the failure event. By performing crystallization (primary re) as described below, it is possible to reduce the stress generated in the polycrystalline layer by crystallization.
また過大な電気抵抗にならない断面積になるまでこの低応力化された薄膜を積層することによって、最終的に応力起因の不良を防止した、電気特性の劣化や、層間剥離,層内での割れ等が起こらない、高い信頼性と歩留まりをもつ半導体装置を得ることができる。 In addition, by laminating this low-stress thin film until the cross-sectional area does not result in excessive electrical resistance, it eventually prevented defects caused by stress, resulting in deterioration of electrical characteristics, delamination, and cracks in the layer. Thus, a semiconductor device with high reliability and yield can be obtained.
更に、本発明に基づく薄膜製造装置を用いることによって、非晶質層を堆積する工程とその非晶質材料を結晶化させる工程を自動制御装置によって薄膜製造全工程をコントロールし、製造途中の薄膜を大気開放することなく、一貫した工程内で行えるようになる。 Furthermore, by using the thin film manufacturing apparatus according to the present invention, the process of depositing the amorphous layer and the process of crystallizing the amorphous material are controlled by the automatic control apparatus to control the entire thin film manufacturing process. Can be performed in a consistent process without opening to the atmosphere.
加えて、本発明に基づく不良事象に応じて決定される1回に堆積できる非晶質層の厚さを求める方法を用いることで、上記の効果を得るための1回に堆積できる非晶質層の膜厚を経験的に求めるのではなく、確実に不良事象を防止できる膜厚を決定することが可能となる。 In addition, by using the method for determining the thickness of the amorphous layer that can be deposited at one time determined according to the failure event based on the present invention, the amorphous material that can be deposited at once to obtain the above-described effect. Rather than empirically determining the thickness of the layer, it is possible to determine a thickness that can reliably prevent defective events.
以下本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
(実施例1)
本発明に基づく半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する一実施例を図1〜図14を用いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Example 1
An embodiment relating to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本発明の実施例に基づく半導体装置1の構造を示す断面斜視図である。半導体装置1は、LOCOS形成、ゲート酸化、ゲート電極成膜及びそのエッチング工程までを完了したものであり、本発明の一つはMOSトランジスタのゲート電極構造として利用されている。
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of a
本実施例において、ゲート電極2は、LOCOS3により隣の素子と電気的に絶縁分離されたp型シリコン半導体基板4表面において、熱酸化工程で形成したシリコン酸化膜5と、そのシリコン酸化膜5の表面に、シリコンを電気的に活性化するリン(P)等の不純物を高濃度且つ均一な濃度で導入した、分割多結晶シリコン層6を積層した構造からなっている。この各分割多結晶シリコン層6は一次再結晶によって形成されるため、主に柱状晶組織となっている。
In this embodiment, the
この半導体装置1の製造方法を、p型シリコン半導体基板4にCMOSを製造する場合を例にとって、図2〜14の製造行程断面図により説明する。
The manufacturing method of the
第1の工程を図2に示す。p型シリコン半導体基板4表面の熱酸化を行い、シリコン酸化膜5aを形成する。次にCVD(化学的気相蒸着)法等によって、シリコン酸化膜5a表面にシリコン窒化膜11aを成膜する。
The first step is shown in FIG. The surface of the p-type
続く第2の工程を図3に示す。図2の工程において成膜したシリコン窒化膜11a表面にホトレジスト12aを均一に塗布し、ホトレジスト12aのパターニングを行い、窒化シリコン膜11aに対するエッチング加工を行う。フォスフィン(PH3)の流量を制御しながら、放電によってリン(P)をイオン化し、パターニングされた窒化シリコン膜11aをマスクとして、リン(P)をシリコン半導体基板4の窒化シリコン膜11aのエッチングで除去された部分に導入する。リン(P)の場合フォスフィンを用いてイオンを打ち込んだが、アルシン(AsH3)等を用いて、ヒ素(As)イオンを打ち込んでもよい。このようなイオン打ち込みを行うのは、LOCOS部分を逆バイアスとして、デバイス間の絶縁をより完全にするためである。
The subsequent second step is shown in FIG. The photoresist 12a is uniformly applied to the surface of the
第2の工程の後、第3の工程(図4)では、次のイオン打ち込み工程で、熱酸化等によってイオン打ち込みを防止する領域のみ、シリコン酸化膜5aを厚く形成する。
In the third step (FIG. 4) after the second step, the
図5は第4の工程を示す。ここでは図4の工程のシリコン窒化膜11aのみを選択的にエッチングを行い、除去する。次に三沸化ボロン(BF3)から放電によってボロンイオンを発生させ、p型シリコン半導体基板4にボロンイオンを導入する。p型シリコン半導体基板4はそのままでは、イオンが打ち込まれたダメージのため非晶質になっていたり、単結晶であっても格子欠陥が多いため電気的に活性化されていないため、非常に高い体積抵抗率を示す。そのため、加熱処理を行うことによって、導入した不純物を拡散させるとともにp型シリコン半導体基板4の回復を図る。
FIG. 5 shows the fourth step. Here, only the
図6には第5の工程を示す。CVD法等によりシリコン窒化膜11bを成膜し、LOCOS3を形成する部分のパターニングを行い、LOCOS3形成のためのマスクとする。残留ホトレジスト12bを取り除いた後、ウエット酸化等によりLOCOS3を形成する。
FIG. 6 shows a fifth step. A
続いて図7に示す第6の工程において、LOCOS3形成のときに用いたシリコン窒化膜11bを熱リン酸等を用いて取り除き、LOCOS3以外のシリコン酸化膜5aもエッチングによって取り除く。露出したp型シリコン半導体基板4表面に、再び熱酸化によって新たな薄いシリコン酸化膜5を、ゲート電極用酸化膜として形成する。
Subsequently, in a sixth step shown in FIG. 7, the
この工程の後、ゲート電極材料を成膜する工程を行う。以下、シリコンを電気的に活性化する不純物を高濃度且つ均一な濃度で導入した、各分割多結晶シリコン層6が積層された第1図のゲート電極2の製造方法について、図14を用いて説明する。
After this step, a step of forming a gate electrode material is performed. Hereinafter, a method for manufacturing the
図14は本発明に基づく、シリコンを電気的に活性化する不純物が高濃度且つ均一な濃度で導入した、分割多結晶シリコン層6積層構造をもつ第1図の半導体装置ゲート電極2の製造工程断面図である。
FIG. 14 shows a manufacturing process of the semiconductor
まず図14の工程(1)を説明する。例えば、ジシラン(Si2H6)とホスフィン(PH3)等のガスが気相反応をして、アモルファスシリコンが堆積するように半導体基板温度を制御し、前の工程のゲート酸化でシリコン酸化膜5が表面に形成されたp型シリコン半導体基板4の表面に、CVD(化学的気相蒸着)法等により、分割アモルファスシリコン層13を、一回に成膜する膜厚を不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚み以下になるように被着する。このとき、分割アモルファスシリコン層13内の不純物リン(P)濃度は一様になっている。
First, step (1) in FIG. 14 will be described. For example, a gas such as disilane (Si 2 H 6 ) and phosphine (PH 3 ) reacts in a gas phase to control the temperature of the semiconductor substrate so that amorphous silicon is deposited, and a silicon oxide film is formed by gate oxidation in the previous step. 5 is formed on the surface of the p-type
尚、シリコンの堆積状態を制御する因子として、半導体基板温度を例として用いているが、流すガスの圧力、流量等、他の因子を制御しても構わない。また、アモルファスシリコン薄膜を堆積する場合には、モノシラン(SiH4)を使用しても差し支えない。 Although the semiconductor substrate temperature is used as an example of the factor for controlling the silicon deposition state, other factors such as the pressure and flow rate of the gas to be flowed may be controlled. In addition, when depositing an amorphous silicon thin film, monosilane (SiH 4 ) may be used.
次に、図14の工程(2)〜(3)を説明する。半導体基板温度を600℃以上に保持することによって、アモルファスシリコンは結晶化し、分割多結晶シリコン層6が形成される。分割多結晶シリコン層6に発生する応力は、分割アモルファスシリコン層13の膜厚を不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚み以下に被着しているため、臨界応力値以下に抑えられる。非晶質材料の結晶化は、半導体基板温度の制御によって行ってもよいが、レーザの照射によって非晶質材料の結晶化を行っても差し支えない。このレーザ照射による非晶質材料の結晶化は、半導体基板4に成膜した分割非晶質シリコン層6の全面の結晶化も行えるが、局所部分へのレーザ照射による局所的な結晶化を行っても構わない。
Next, steps (2) to (3) in FIG. 14 will be described. By maintaining the semiconductor substrate temperature at 600 ° C. or higher, the amorphous silicon is crystallized and the divided
図14の工程(4)〜(5)では、積層した分割多結晶シリコン層6の総膜厚が必要とする厚さに達するまで、前記図3(1)〜(3)の工程を繰り返し、この繰り返しによって、低応力化された構造の分割多結晶シリコン層積層膜14が形成される。 In steps (4) to (5) of FIG. 14, the steps of FIGS. 3 (1) to (3) are repeated until the total thickness of the laminated divided polycrystalline silicon layers 6 reaches a required thickness. By repeating this, a divided polycrystalline silicon layer laminated film 14 having a structure with reduced stress is formed.
図14の工程後、この分割多結晶シリコン層積層構造薄膜14表面にホトレジスト12c(図7参照)を塗布し、パターニングを行い、分割多結晶シリコン層積層構造薄膜14をエッチングすることによって、最終的に図8の工程のような、分割多結晶シリコン層6を積層した構造をもつ積層構造ゲート電極2を形成することができる。
After the process of FIG. 14, a
よって、シリコンを電気的に活性化させるリン(P)等の不純物が高濃度で且つ均一な濃度で導入した、各分割多結晶シリコン層6を積層することによって、過大な電気抵抗にならない断面積、即ち電気抵抗が設計値以下となる膜厚を得ることが出来、且つ形成される多結晶シリコンの平均結晶粒径が小さいため膜内に発生する応力が臨界応力値以下に抑えられた、分割多結晶シリコン層6を積層した構造をもつゲート電極2を得ることが可能となる。
Therefore, by stacking the divided polycrystalline silicon layers 6 into which impurities such as phosphorus (P) for electrically activating silicon are introduced at a high concentration and a uniform concentration, a cross-sectional area that does not cause an excessive electric resistance. In other words, it is possible to obtain a film thickness in which the electrical resistance is less than the design value, and because the average crystal grain size of the formed polycrystalline silicon is small, the stress generated in the film is suppressed to a critical stress value or less. It becomes possible to obtain the
ここで、交互にシリコン(Si)膜とコバルト(Co)膜をアモルファス状態で堆積し、一次の再結晶反応を生じさせることによって、柱状晶組織の多結晶(コバルトシリサイド)層を積層した分割多結晶層積層構造となった薄膜を、電子顕微鏡により観察した写真(図27)を示す。拡大倍率は約18万倍である。 Here, a silicon (Si) film and a cobalt (Co) film are alternately deposited in an amorphous state to cause a primary recrystallization reaction, thereby dividing a polycrystalline (cobalt silicide) layer having a columnar crystal structure. The photograph (FIG. 27) which observed the thin film used as the crystal | crystallization laminated structure with the electron microscope is shown. The magnification is about 180,000 times.
図14で説明した分割多結晶シリコン層積層膜14においても、各アモルファスシリコン層を結晶化させてから次のアモルファスシリコン層を堆積させるため、電子顕微鏡を用いると、分割多結晶シリコン層積層膜14が、図27と同様に、積層された断面構造となっていることを観察できる。このことから、始めから必要な厚さだけ多結晶材料を堆積させた構造と本発明の構造とは、明確な分割層の境界が認められる点において明らかに異なる。 Also in the divided polycrystalline silicon layer laminated film 14 described with reference to FIG. 14, in order to deposit the next amorphous silicon layer after crystallization of each amorphous silicon layer, the divided polycrystalline silicon layer laminated film 14 is used by using an electron microscope. However, like FIG. 27, it can be observed that it has a laminated cross-sectional structure. From this, the structure in which the polycrystalline material is deposited from the beginning to the required thickness is clearly different from the structure of the present invention in that a clear boundary between the divided layers is recognized.
続く第8の工程を図9にて説明する。p型シリコン半導体基板4にホトレジスト12dを塗布し、パターニングを行う。この残されたホトレジスト12dをマスクとして、リン(P)又はヒ素(As)等のイオンを打ち込み、nチャネルMOSトランジスタのソース、ドレインを形成する。
The following eighth step will be described with reference to FIG. A
図10に第9の工程を示す。まず図9の工程で使用したホトレジストを除去し、新たにp型シリコン半導体基板4にホトレジスト12eを塗布してパターニングを行い、ボロン(B)等のイオンを打ち込んで、pチャネルMOSトランジスタのソース、ドレインを形成する。導入したイオンの拡散のため、熱処理を施す。
FIG. 10 shows the ninth step. First, the photoresist used in the process of FIG. 9 is removed, and a photoresist 12e is newly applied to the p-type
続く図11の第10工程では、図10の工程で用いたホトレジスト12eを除去し、リンガラス等の層間絶縁膜16でp型シリコン半導体基板4を覆う。半導体基板4との電気的コンタクトを得るための穴20をエッチングによって得る。
In the subsequent tenth step of FIG. 11, the photoresist 12e used in the step of FIG. 10 is removed, and the p-type
図12(第11工程)、図13(第12工程)では、スパッタ法によってアルミニウム合金等の配線材料をp型シリコン半導体基板4表面に成膜し、パターニングしてアルミニウム合金配線層17を得る。最後に形成した半導体装置を保護するため、基板全体の表面を絶縁膜(パシベーション膜)18にて被覆し、全工程を終了する。多層配線を有する半導体装置であれば、この第12工程の後、更なる電気的コンタクトを得るための穴を形成して、次の配線を施すことになる。図中にはゲート電極2への配線を示してはいないが、この配線は公知の技術によって形成される。
In FIG. 12 (11th step) and FIG. 13 (12th step), a wiring material such as an aluminum alloy is formed on the surface of the p-type
尚、実施例1では、半導体基板としてp型シリコン半導体基板4を用いたが、必ずしもp型である必要性はなく、n型シリコン半導体基板であってもよい。その場合、製造工程は多少の変更を必要とする。又、ガリウムひ素半導体基板等でもよい。ゲート電極2の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファス状態にて堆積でき、結晶化しているときに導電性のある他の材料でもよい。又、不純物としてリン(P)を用いたが、ボロン(B),ヒ素(As)等、他の不純物であっても差し支えない。
(実施例2)
本発明に基づく半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する別の実施例を図16及び図17を用いて説明する。
In the first embodiment, the p-type
(Example 2)
Another embodiment relating to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図16は本発明の実施例に基づく半導体装置7の構造を示す断面斜視図である。半導体装置7は、LOCOS形成、ゲート酸化、ゲート電極成膜及びエッチング工程までを完了した図であり、本発明に基づく半導体装置の製造方法を実施例1と同様、MOSトランジスタのゲート電極構造として利用している。
FIG. 16 is a cross-sectional perspective view showing the structure of the
本発明の一製造方法例によるゲート電極8は、LOCOS3により隣の素子と電気的に絶縁分離されたp型シリコン半導体基板4表面に熱酸化で形成されたシリコン酸化膜5表面に形成され、リン(P)等のシリコンを電気的に活性化する不純物が高濃度で且つ一様な濃度の分割多結晶シリコン層6と、シリコンのみを主成分とする多結晶シリコンとは異なる材料である、例えばアルミニウム合金層9を交互に積層した構造からなっている。
The
この半導体装置7は、ゲート電極8を除いて、実施例1で示した半導体装置1の製造方法と同様の製造方法によって得ることができるので、ゲート電極8のみの製造方法を図7の工程及び図17を用いて説明する。
Since this
半導体装置7の製造工程は、図7の工程の途中までは実施例1と同じである。図6の工程の終了後、図7の工程にてLOCOS3形成のときに用いたシリコン窒化膜11bを熱リン酸等を用いて取り除き、LOCOS3以外のシリコン酸化膜5aもエッチングによって取り除く。露出したp型シリコン半導体基板4表面に、再び熱酸化によって新たな薄いシリコン酸化膜5を、ゲート電極用酸化膜として形成する。
The manufacturing process of the
この工程の後、ゲート電極材料を成膜する工程を行う。以下、シリコンを電気的に活性化する不純物(例えばP等)を高濃度且つ均一な濃度で導入した、分割多結晶シリコン層6積層薄膜がシリコンのみを主成分とする多結晶シリコンとは異なる材料であるアルミニウム合金層9によって分割された構造をもつゲート電極8の製造方法について、図17を用いて説明する。
After this step, a step of forming a gate electrode material is performed. Hereinafter, a material in which an impurity (for example, P) for electrically activating silicon is introduced at a high concentration and a uniform concentration is different from the polycrystalline silicon in which the divided
図17は本発明の第2の実施例に基づく半導体装置7のゲート電極8の製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 17 is a process sectional view showing a method of manufacturing the
図17の工程(1)を説明する。ゲート電極用シリコン酸化膜5を形成後、そのシリコン酸化膜5表面に、例えばジシラン(Si2H6)とホスフィン(PH3)等のドープしたい不純物元素を含むガスを流して気相分解反応させ、CVD(化学的気相蒸着)法等により、分割アモルファスシリコン層13を、不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚み以下に成膜する。アモルファスシリコン薄膜の堆積にはモノシラン(SiH4)を使用しても差し支えない。
Step (1) in FIG. 17 will be described. After the formation of the
図17の工程(2)を説明する。工程(1)で堆積した膜とは異なる材料である、例えばアルミニウム合金層9をスパッタ等の方法によって堆積させる。スパッタで堆積させる材料は他の導電性のある材料、又はシリサイド化合物等でも差し支えない。堆積させるアルミニウム合金層9の膜厚は、後に行う分割アモルファスシリコン層を結晶化させる工程において、各分割アモルファスシリコン層内の原子が熱拡散によって、他の分割アモルファスシリコン層へほとんど移動がない厚さとする。 Step (2) in FIG. 17 will be described. For example, an aluminum alloy layer 9 which is a material different from the film deposited in the step (1) is deposited by a method such as sputtering. The material deposited by sputtering may be another conductive material or a silicide compound. The thickness of the aluminum alloy layer 9 to be deposited is such that the atoms in each divided amorphous silicon layer hardly move to other divided amorphous silicon layers by thermal diffusion in the subsequent step of crystallizing the divided amorphous silicon layer. To do.
図17の工程(3)では、分割アモルファスシリコン層13及び多結晶アルミニウム合金層9の総積層膜厚が必要な厚さよりも大きくなるまで、工程(1)〜(2)を繰返す。
In step (3) of FIG. 17, steps (1) to (2) are repeated until the total thickness of the divided
図17の工程(4)を説明する。分割アモルファスシリコン層13及び多結晶アルミニウム合金層9の総膜厚が必要な厚さに達したときに、アモルファスシリコンが結晶化する温度、例えば600℃以上に半導体基板温度を制御し、全分割アモルファスシリコン層13を結晶化させる。
Step (4) in FIG. 17 will be described. When the total thickness of the divided
この図17の製造工程の後、分割アモルファスシリコン層13及び多結晶アルミニウム合金層9の積層薄膜をパターニングすることによって、リン(P)等の不純物が高濃度で且つ一様な濃度の分割多結晶シリコン層6と、シリコンのみを主成分とする多結晶シリコンとは異なる材料であるアルミニウム合金層9を積層した構造であるゲート電極8を得ることができる。符号15は多結晶シリコンと他の材料との交互積層構造薄膜である。
After the manufacturing step of FIG. 17, the laminated thin film of the divided
この製造工程は、実施例1のように非晶質層の成膜工程後毎に、非晶質材料の結晶化工程を行わなくてもよく、全成膜工程終了後1回だけの結晶化工程のみで本発明の実施例に基づくゲート電極8構造を得ることができ、工程の短縮化につながる。
In this manufacturing process, it is not necessary to perform the crystallization process of the amorphous material every time after the film formation process of the amorphous layer as in the first embodiment. The
また、図17の工程(2)において堆積させるアモルファスシリコンとは異なる材料については、タングステン又はコバルト等のようなシリサイド反応する金属を、アルミニウム合金の代わりに用いてもよく、各分割アモルファスシリコン層13と各シリサイド反応する金属層の界面ではシリサイド反応が進み、シリサイド層を積層した構造の薄膜が形成される。 Further, for a material different from the amorphous silicon deposited in the step (2) of FIG. 17, a metal that undergoes a silicide reaction such as tungsten or cobalt may be used instead of the aluminum alloy. The silicide reaction proceeds at the interface between each of the metal layers that react with the silicide, and a thin film having a structure in which the silicide layers are stacked is formed.
そのため、ここで得られる各分割シリサイド層の膜厚を不良事象に応じて決定される臨界応力値で規定される膜厚以下にすることで、各分割多結晶シリサイド層内に発生する応力は、臨界応力値以下に抑えることができる。 Therefore, by making the film thickness of each divided silicide layer obtained here equal to or less than the film thickness defined by the critical stress value determined according to the failure event, the stress generated in each divided polycrystalline silicide layer is It can be suppressed below the critical stress value.
このように、他の材料層を間に挟み、規定された厚さ以下に各非晶質材料層の膜厚を分割することで、非晶質材料を結晶化させる工程を1度だけに、すなわち全工程終了時だけにすることができる。 In this way, by sandwiching another material layer between them and dividing the film thickness of each amorphous material layer to a prescribed thickness or less, the process of crystallizing the amorphous material is performed only once. That is, it can be performed only at the end of the entire process.
しかし、非晶質材料層の表面に拘束条件が全く無い状態で結晶化して収縮させる方が、一般に発生する応力はより低くなるため、各分割非晶質材料層の成膜完了時毎に結晶化させても差し支えない。また、分割非晶質材料層の局所部分にレーザ照射を行い、局所部分を選択的に低応力化しておき、直接不良に結び付かない部分に関しては、全工程終了時に結晶化させても差し支えない。 However, since the stress generated is generally lower when the surface of the amorphous material layer is crystallized and contracted in a state where there are no constraint conditions, the crystal is generated at the completion of the film formation of each divided amorphous material layer. There is no problem even if it is made. In addition, laser irradiation may be performed on the local portion of the divided amorphous material layer, and the local portion may be selectively reduced in stress, and the portion that does not directly lead to a defect may be crystallized at the end of the entire process. .
以上説明した半導体装置の製造方法を用いることによって、実施例1と同様に、ゲート電極の膜内に発生する応力が、不良事象に対応した臨界応力値を越えず、かつ目的の厚さの均一な高不純物濃度の低抵抗化されたゲート電極を製造することができるため、信頼性の高い製品を提供することができる。 By using the semiconductor device manufacturing method described above, as in the first embodiment, the stress generated in the gate electrode film does not exceed the critical stress value corresponding to the failure event, and the target thickness is uniform. Thus, a highly reliable gate electrode with a low resistance can be manufactured, and a highly reliable product can be provided.
尚、実施例2では、半導体基板としてp型シリコン半導体基板4を用いたが、必ずしもp型である必要性はなく、n型シリコン半導体基板であってもよい。また、ガリウムひ素半導体基板等でもよい。ゲート電極8の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファス状態にて堆積でき、結晶化しているときに導電性のある他の材料でもよい。また、不純物としてリン(P)を用いたが,ボロン(B),ヒ素(As)等、他の不純物であっても差し支えない。
(実施例3)
本発明に基づく半導体装置の製造方法を用いて製造した半導体装置構造の実施例を図18〜図25を用いて説明する。
In the second embodiment, the p-type
(Example 3)
An embodiment of a semiconductor device structure manufactured by using the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図18〜図24は本発明に基づく半導体構造の実施例における断面図であり、p型シリコン半導体基板4表面に形成されている溝(凹部)を多結晶シリコン層6で埋めるのに本発明を用いた一実施例を示している。
18 to 24 are cross-sectional views in the embodiment of the semiconductor structure according to the present invention. The present invention is used to fill the groove (concave portion) formed in the surface of the p-type
図18の例ではトレンチ型メモリセルに利用した例であり、p型シリコン半導体基板4表面のトレンチ溝に絶縁膜としてシリコン酸化膜5を成膜した後に、多結晶シリコン層6を積層して溝を埋めている。尚、図19に示すようにこの溝は多結晶シリコン層6で必ずしも完全に埋めなくてもよい。
The example of FIG. 18 is an example used for a trench type memory cell. After a
図20の例は、角部の形状が等方性エッチング等によって角部が丸みを帯びたり、平坦化するための層間絶縁膜を被着して角部が無くなったp型シリコン半導体基板4表面に、多結晶シリコン層6を成膜した場合を示している。図21の例は、溝及び凹凸部の側面にテーパがついている場合を示している。図22の例は、溝及び凹凸部の側面に凹凸がある場合を示す。角部に丸みがなく、角部が鋭角であるほど応力集中し、構造的に厳しくなる。
The example of FIG. 20 shows the surface of the p-type
図23、図24、図25は凹凸部に配線層としての多結晶シリコン層6を成膜した例を示したものであり、ゲート電極2等を層間絶縁膜16で被った後のp型シリコン半導体基板4表面の凹凸に沿って配線層6を成膜する、及び基板との電気的コンタクトを取る等の目的のために用いられる。
23, 24, and 25 show an example in which a
アモルファスシリコンを堆積して結晶化させる場合、凹凸部の角は非晶質材料の結晶化による層の体積収縮に伴って応力集中箇所になるため、実施例1及び実施例2のような平坦部に成膜された膜に比べて局所的に大きな応力が発生する。 When amorphous silicon is deposited and crystallized, the corners of the concavo-convex parts become stress concentration points accompanying the volumetric shrinkage of the layer due to crystallization of the amorphous material, so that the flat part as in Example 1 and Example 2 A large stress is locally generated as compared with the film formed on the substrate.
そのため、本実施例を用い、一回に成膜するアモルファスシリコン等の非晶質層の膜厚をこの応力集中値が臨界応力値を越えないように成膜の厚さを設定し、実施例1及び実施例2のように必要な膜厚に達するまで成膜工程を繰り返せば、p型シリコン半導体基板4表面に形成されている溝に多結晶シリコン層6を埋め込むとき、凹凸部に多結晶シリコン層6を成膜するときに不良の発生することを防ぐことが可能となる。
Therefore, using this example, the film thickness of the amorphous layer such as amorphous silicon formed at one time is set so that the stress concentration value does not exceed the critical stress value. If the film forming process is repeated until the necessary film thickness is reached as in the first and second embodiments, when the
図23、図24、図25のような凹凸部の側壁及び角部の形状は、図20〜図22、及びこれらを組合せた形状であっても差し支えない。
このような溝及び凹凸部に非晶質材料を成膜するときほど、本発明によるところの、一回に成膜する非晶質層の膜厚を臨界応力値を越えない成膜の厚さを設定して積層する製造方法の効果が発揮される。
The shape of the side wall and the corner of the concavo-convex portion as shown in FIGS. 23, 24, and 25 may be shapes shown in FIGS. 20 to 22 or a combination thereof.
As the amorphous material is deposited in such grooves and irregularities, the thickness of the deposited amorphous layer does not exceed the critical stress value according to the present invention. The effect of the manufacturing method of setting and laminating is exhibited.
また、実施例2のような各非晶質層間を他の材料層で分割する構造および製造方法をこの実施例に用いても、同様の効果が得られる。
尚、実施例3では、トレンチ型メモリセルの絶縁膜の材料に、タンタル酸化膜等の他の材料を用いてもかまわない。積層材料にアモルファスシリコンを用いたが、他の非晶質材料であっても差し支えない。
(実施例4)
次に、本発明の薄膜の製造方法に関する実施例を図26、図27、図28、図29を用いて説明する。図26は、本実施例の金属シリサイド薄膜の製造方法の流れを説明したものである。本薄膜製造方法においては、組成MSix(Mは金属元素、Siはシリコン元素、xは量論比である)の金属シリサイド薄膜を、
M+xSi=MSix ………(1)
の化学反応で得る。
The same effect can be obtained even if the structure and manufacturing method in which each amorphous layer is divided into other material layers as in the second embodiment are used in this embodiment.
In the third embodiment, another material such as a tantalum oxide film may be used as the material of the insulating film of the trench type memory cell. Although amorphous silicon is used for the laminated material, other amorphous materials may be used.
(Example 4)
Next, examples relating to the thin film manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS. 26, 27, 28, and 29. FIG. FIG. 26 illustrates the flow of the method for manufacturing the metal silicide thin film of this example. In this thin film manufacturing method, a metal silicide thin film having a composition MSix (M is a metal element, Si is a silicon element, and x is a stoichiometric ratio)
M + xSi = MSix (1)
The chemical reaction of
基板4上に下地膜(シリコン酸化膜)5を形成した後、まず膜厚1/2tSiのシリコン薄膜6を堆積する。ここで膜厚tSiは、最終的に得る金属シリサイド膜の組成をMSix(Mは金属元素)とした場合に、原子数比が、
M:Si=1:x ………(2)
となるように金属薄膜20とシリコン薄膜6の厚さの比(1:y)を各元素の密度比から決定する。即ち
tM:tSi=1:y ………(3)
となる。
After a base film (silicon oxide film) 5 is formed on the
M: Si = 1: x (2)
The thickness ratio (1: y) between the metal
It becomes.
最終的に得る不良事象によって規定される一層当たりの金属シリサイド薄膜の厚さから算出される膜厚の2倍の膜厚tMSiと、始めのシリコン薄膜膜厚tSiと金属薄膜の膜厚tMの和との比(1:z)
tMSi:(tSi+tM)=1:z ………(4)
を考慮すると、式(1)と式(2)からtMを消去して、
tSi=(yz)tMSi/(1+y) ………(5)
と決定される。
The film thickness tMSi that is twice the film thickness calculated from the thickness of the metal silicide thin film per layer defined by the finally obtained failure event, and the sum of the initial silicon thin film thickness tSi and the metal thin film thickness tM Ratio (1: z)
tMSi: (tSi + tM) = 1: z (4)
Is taken into account, the tM is eliminated from the equations (1) and (2),
tSi = (yz) tMSi / (1 + y) (5)
Is determined.
次に二層目の膜として、膜厚
tM=ztMSi/(1+y) ………(6)
で決定される金属薄膜を堆積する。
Next, as the second layer film, film thickness tM = ztMSi / (1 + y) (6)
A metal thin film determined by the above is deposited.
第三層目は、膜厚tSiのシリコン薄膜を堆積する。以下、必要な層数(N層)、膜厚tMの金属薄膜20と膜厚tSiのシリコン薄膜6を交互に堆積していく。堆積に必要な層数(金属薄膜とシリコン薄膜のペアを一層と考える)は、最終的に得たい金属シリサイド薄膜の厚さをtMとすると、
N=TM/tMSi ………(7)
を満足する整数となる。ただし、tMSiはNが整数となるように不良事象で規定される限界膜厚以下で調整する。
As the third layer, a silicon thin film having a thickness of tSi is deposited. Thereafter, the metal
N = TM / tMSi (7)
An integer satisfying. However, tMSi is adjusted to be equal to or less than the limit film thickness defined by the failure event so that N is an integer.
最上層の膜厚は1/2tSi或いは1/2tMとする。最下層と最上層の膜の膜厚が1/2となるのは、以下の理由による。すなわち、化学反応は異種材料界面から開始するので、シリコン薄膜6或いは金属薄膜20いずれにおいても化学反応は各膜の上界面、下界面の両側から進行する。
The film thickness of the uppermost layer is set to 1/2 tSi or 1/2 tM. The reason why the thickness of the lowermost layer and the uppermost layer is ½ is as follows. That is, since the chemical reaction starts from the interface between different materials, the chemical reaction proceeds from both the upper and lower interfaces of each film in either the silicon
従って、各膜のちょうど1/2の膜厚相当が上界面及び下界面からの反応で消費される。つまり、最上層或いは最下層の膜については、反応界面が片側しか存在しないので必要膜厚は1/2となる。 Accordingly, a film thickness equivalent to exactly half of each film is consumed by the reaction from the upper interface and the lower interface. That is, for the uppermost layer or the lowermost layer film, there is only one reaction interface, so the required film thickness is ½.
尚、本実施例においては、最上層の材料は最下層と同じシリコン薄膜となっているが、必ずしもシリコン薄膜である必要はなく、金属薄膜であっても差し支えない。更に、最下層の膜も必ずしもシリコン薄膜である必要はなく、金属薄膜から堆積を始めても差し支えない。また、各膜の堆積方法も特に限定されるものではない。 In the present embodiment, the uppermost layer material is the same silicon thin film as the lowermost layer, but it is not necessarily a silicon thin film, and may be a metal thin film. Furthermore, the lowermost film is not necessarily a silicon thin film, and deposition may be started from a metal thin film. Also, the deposition method of each film is not particularly limited.
所定の層数の堆積を完了した後で、基板全体をシリサイド反応が進行するに十分な温度まで加熱し、シリサイド反応を完了させる。反応完了後の膜の結晶状態観察例を図27に示す。図27は、金属薄膜としてCo薄膜を使用し、原子数比がCo:Si=2:1となるようにして設定して積層した膜をシリサイド反応が完了する温度以上(例えば700℃)で熱処理した後の膜の結晶構造を透過電子顕微鏡を使用して観察した例であり、層iは透過電子顕微鏡試料作成用接着剤、層iiは図27の写真では約10層から成るコバルトシリコン合金積層膜(Co2Si)、層iiiはシリコン酸化膜、層ivはシリコン基板を示す。層iiの部分が分割された積層状態を示しているが、結晶方位が異なるために各結晶の色調が異なって見える。 After completing the deposition of a predetermined number of layers, the entire substrate is heated to a temperature sufficient for the silicidation reaction to proceed to complete the silicidation reaction. An example of the observation of the crystal state of the film after completion of the reaction is shown in FIG. In FIG. 27, a Co thin film is used as a metal thin film, and a film in which the atomic ratio is set so as to be Co: Si = 2: 1 is heat-treated at a temperature equal to or higher than the temperature at which the silicide reaction is completed (for example, 700 ° C.). 27 is an example of observing the crystal structure of the film using a transmission electron microscope, where layer i is an adhesive for preparing a transmission electron microscope sample, and layer ii is a cobalt silicon alloy laminate comprising about 10 layers in the photograph of FIG. A film (Co 2 Si), a layer iii represents a silicon oxide film, and a layer iv represents a silicon substrate. A layered state in which the portion of layer ii is divided is shown, but since the crystal orientation is different, the color tone of each crystal looks different.
反応が完了した状態では、結晶粒が膜厚方向にほぼ貫通して水平方向に連なってできた膜が積層された構造となっていることがわかる。各層の厚さは、反応前に積層した金属薄膜とシリコン薄膜の膜厚の和の1/2で決定されるシリサイド膜厚
tMSi=1/2(tM+tSi)/z ………(8)
に相当する。
When the reaction is completed, it can be seen that the structure is formed by laminating films in which crystal grains are substantially penetrated in the film thickness direction and continuous in the horizontal direction. The thickness of each layer is a silicide film thickness determined by half the sum of the film thickness of the metal thin film and silicon thin film laminated before the reaction. TMSi = 1/2 (tM + tSi) / z (8)
It corresponds to.
このように、金属薄膜とシリコン薄膜を複数回に分割して積層した後でシリサイド反応を起こさせると、所定の膜厚のシリサイド薄膜を小さな結晶粒径、すなわち不良事象を発生させないような低応力状態(シリサイド反応進行時の体積変化起因の応力)で得ることができる。 In this way, when a silicide reaction is caused after a metal thin film and a silicon thin film are divided into a plurality of times and laminated, the silicide thin film having a predetermined film thickness has a small crystal grain size, that is, low stress that does not cause a defective event. It can be obtained in the state (stress due to volume change when the silicide reaction proceeds).
図28は本製造方法を応用して作製したMOS(Metal−Oxide−Semiconductor)トランジスタ構造の断面図を示したもので、シリサイド合金をトランジスタのゲート電極に使用したものである。 FIG. 28 shows a cross-sectional view of a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor structure manufactured by applying this manufacturing method, in which a silicide alloy is used for the gate electrode of the transistor.
本実施例においては、所定の膜厚のゲート電極を、小さな結晶粒からなる積層膜で形成しているため、シリサイド膜作製時の応力を不良事象発生以下に制御することが可能となる。 In this embodiment, since the gate electrode having a predetermined thickness is formed of a laminated film made of small crystal grains, it is possible to control the stress during the formation of the silicide film below the occurrence of a defective event.
図29は本製造方法を使用してシリサイド薄膜19を配線材料として使用した装置の断面図を示したものである。本実施例においても、所定の膜厚の配線膜を結晶粒の小さな積層膜で構成することが可能となるため、不良事象を発生させないような低応力状態で配線膜を作製できる。
FIG. 29 shows a cross-sectional view of an apparatus using the silicide
金属シリサイド薄膜を形成するのに適した金属としては、チタニウムTi、バナジウムV、クロムCr、マンガンMn、鉄Fe、コバルトCo、ニッケルNi、タンタルTa、タングステンW、ジルコニウムZr、ニオブNb、モリブデンMo、パラジウムPd、ロジウムRh、イリジウムIr、白金Pt、ハフニウムHf、テルビウムTb、エルビウムEr、イットリウムYの内のいずれかが選択され得る。 Suitable metals for forming the metal silicide thin film include titanium Ti, vanadium V, chromium Cr, manganese Mn, iron Fe, cobalt Co, nickel Ni, tantalum Ta, tungsten W, zirconium Zr, niobium Nb, molybdenum Mo, Any of palladium Pd, rhodium Rh, iridium Ir, platinum Pt, hafnium Hf, terbium Tb, erbium Er, and yttrium Y can be selected.
また、本発明で対象とする薄膜は、光デバイス、光ディスク、磁気ディスク、及び超電導素子等における配線等である。
(実施例5)
次に本発明に基づく製造装置に関する一実施例を図30、図31、図32、図33、図34を用いて説明する。
In addition, the thin film targeted in the present invention is a wiring in an optical device, an optical disk, a magnetic disk, a superconducting element, and the like.
(Example 5)
Next, an embodiment relating to a manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 30, 31, 32, 33, and 34. FIG.
図30及び図31は本発明に基づく化学的気相蒸着を使用した製造装置の一実施例である。図30は拡散炉型の製造装置例であり、図31は縦型の製造装置例である。 30 and 31 show an embodiment of a manufacturing apparatus using chemical vapor deposition according to the present invention. FIG. 30 shows an example of a diffusion furnace type manufacturing apparatus, and FIG. 31 shows an example of a vertical type manufacturing apparatus.
本実施例による半導体装置の製造装置は、アモルファス薄膜の成膜とこの薄膜の結晶化という複数の工程の組合せの繰り返し工程を自動制御する制御装置に特徴があり、装置の型は横型等であっても差し支えない。 The semiconductor device manufacturing apparatus according to the present embodiment is characterized by a control device that automatically controls a repetition process of a combination of a plurality of processes of forming an amorphous thin film and crystallizing the thin film. There is no problem.
図30及び図31に示された製造装置は、半導体基板38への成膜工程及び非晶質材料を結晶化させる工程の場を提供するチャンバ31、半導体基板38を支持する治具32、半導体基板温度およびチャンバ31内雰囲気を調整するための加熱装置33、原料ガスを供給する複数のガスコントローラ34、チャンバ内圧力の制御およびチャンバ内の排気を行う排気装置35、前記チャンバ、前記加熱装置、前記流入量調節装置、前記ガス圧力調節装置、及び前記排気装置を自動制御する自動制御装置36により構成される。この製造装置を用いることによって、大気開放せずに、連続的、或いは断続的に本実施例に基づく製造方法を、製造工程を自動制御しながら、単一の製造装置で実施することが可能である。
The manufacturing apparatus shown in FIGS. 30 and 31 includes a
自動制御装置36は、加熱装置33、及び複数のガスコントローラ34、及び排気装置35、及び半導体基板温度やチャンバ内圧力等の成膜条件をコントロールする。また、半導体基板38の全面或いは局所部分を選択的にレーザ照射を行うため、図31のようにレーザ照射装置37を取り付けても差し支えない。
The
図32に、図30及び図31に示した半導体装置の製造装置において、自動制御装置36が処理を行うフローチャートの一例を示す。このフローチャートは実施例1の図14に示した工程を自動制御するためのものである。また図33に、成膜条件として半導体基板温度及びチャンバ内雰囲気温度の制御を、図32のフローチャートに沿って自動制御した温度プロセスの一例を示す。図33において横軸は時間、縦軸は半導体基板温度を表し、Tcrは半導体基板38に堆積させる非晶質材料が結晶化する臨界温度を表す。
FIG. 32 shows an example of a flowchart in which the
図32のフローチャートに従って説明する。図中の□は処理を表し、ダイヤは判断を表す。工程開始温度を例えば20℃と仮定する。この半導体装置の製造工程制御は図32の(100)から開始される。 This will be described with reference to the flowchart of FIG. In the figure, □ represents processing, and diamond represents judgment. The process start temperature is assumed to be 20 ° C., for example. The manufacturing process control of the semiconductor device is started from (100) in FIG.
処理(101)では、図7に示した第6の工程までにシリコン酸化膜等の絶縁膜を被着した半導体基板38を製造装置のチャンバ内に設置し、製造工程を開始する(図33のAに相当する)。チャンバ内が成膜環境に適した真空度に達していない場合には、真空用排気装置を用いて排気を行う。処理(102)では、図30或いは図31に示した加熱装置33を用いて半導体基板38の加熱を行う。
In the process (101), the
判断(103)では、半導体基板温度が非晶質材料を成膜できる温度に達したか否かを判断し、成膜できる温度に達していなければ(判断(103)においてNoと判断されれば)、処理(102)に戻り、半導体基板の加熱を続ける。処理(102)及び判断(103)のループは、半導体基板温度が非晶質材料を成膜できる温度に達するまで(判断(103)においてYesと判断されるまで)繰り返される(図33のA−Bの工程に相当する)。但し、判断(103)が加熱時間によって制御される場合は、予め決定しておいた加熱時間に達するまで加熱を行うことになる。 In the determination (103), it is determined whether or not the semiconductor substrate temperature has reached a temperature at which an amorphous material can be formed. If the temperature has not reached the temperature at which a film can be formed (if determined as No in the determination (103)). ), Returning to the processing (102), heating of the semiconductor substrate is continued. The loop of the processing (102) and the determination (103) is repeated until the semiconductor substrate temperature reaches a temperature at which an amorphous material can be formed (until determined as Yes in the determination (103)) (A- in FIG. 33). Corresponds to step B). However, when the judgment (103) is controlled by the heating time, heating is performed until a predetermined heating time is reached.
判断(103)においてYesと判断された後、成膜可能な温度を保持しながら、処理(104)を行う。処理(104)では、チャンバ内へのガスコントローラからの原料ガスの供給及びチャンバ内の原料ガスの圧力制御が行われる。この処理において化学気相蒸着法等により第一分割非晶質材料層の成膜が行われる。判断(105)では、1回に成膜する第一分割非晶質材料層の厚さが、不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚さ以下の所定の値に達したか否かを判断し、所定の厚さに達していなければ(判断(105)においてNoと判断されれば)処理(104)に戻り、チャンバ内への原料ガス供給及びチャンバ内の原料ガスの圧力制御を続ける。処理(104)及び判断(105)のループは、第一分割非晶質材料層の厚さが所定の厚さに達するまで(判断(105)においてYesと判断されるまで)繰り返される(図33のB−Cの工程に相当する)。但し、判断(105)が成膜時間によって制御される場合は、あらかじめ決定しておいた成膜時間に達するまで処理(104)を続けることになる。 After it is determined Yes in the determination (103), the processing (104) is performed while maintaining the film forming temperature. In the process (104), the supply of the source gas from the gas controller into the chamber and the pressure control of the source gas in the chamber are performed. In this process, the first divided amorphous material layer is formed by chemical vapor deposition or the like. In judgment (105), the thickness of the first divided amorphous material layer formed at one time has reached a predetermined value equal to or less than the thickness defined by the critical stress value determined according to the failure event. If the predetermined thickness is not reached (No is determined in the determination (105)), the process returns to the process (104), and the supply of the source gas into the chamber and the supply of the source gas in the chamber are performed. Continue pressure control. The loop of the process (104) and determination (105) is repeated until the thickness of the first divided amorphous material layer reaches a predetermined thickness (until determined as Yes in determination (105)) (FIG. 33). Corresponds to the step B-C). However, when the judgment (105) is controlled by the film formation time, the processing (104) is continued until the predetermined film formation time is reached.
成膜した膜厚が、不良事象に応じて決定される臨界応力値によって規定される厚さ以下の所定の値に達した時点で、判断(105)にてYesと判断され、原料ガスの供給を止めて、処理(106)に移る。処理(106)では、非晶質材料が結晶化する温度になるまで、図30或いは図31に示した加熱装置33によって半導体基板38の加熱を行う。判断(107)では半導体基板温度が非晶質材料が結晶化する温度に達したか否かの判断を行う。処理(106)及び判断(107)のループにおいても、処理(102)及び判断(103)のループと同様に、判断(107)と処理(106)を、判断(107)にてYesと判断されるまで繰り返す(図33のC−Dの工程に相当する)。但し、判断(107)が加熱時間によって制御される場合は、予め決定しておいた加熱時間に達するまで加熱を行うことになる。
When the deposited film thickness reaches a predetermined value equal to or less than the thickness defined by the critical stress value determined according to the failure event, it is determined as Yes in the determination (105), and the supply of the source gas is performed. Is stopped and the process proceeds to processing (106). In the processing (106), the
半導体基板温度が非晶質材料が結晶化する温度に達した時点で次の処理が開始され、処理(108)では少なくとも第一分割非晶質材料層全体が結晶化するのに要する時間以上、その温度を保持する(図33のD−Eの工程に相当する)。 The next process is started when the temperature of the semiconductor substrate reaches the temperature at which the amorphous material crystallizes. In the process (108), at least the time required for the entire first divided amorphous material layer to crystallize, This temperature is maintained (corresponding to the step D-E in FIG. 33).
処理(108)終了後、判断(109)において、非晶質材料が結晶化した層全体の厚さが設計上必要な厚さに達したか否かを判断する。但し、判断(109)が非晶質材料層の成膜回数によって制御される場合には、予め決定しておいた回数に達するまではYesと判断し、その回数に達した場合にはNoと判断することになる。 After the process (108) is completed, in the decision (109), it is judged whether or not the thickness of the whole layer in which the amorphous material is crystallized has reached the thickness required for the design. However, when the judgment (109) is controlled by the number of times of forming the amorphous material layer, it is judged as Yes until reaching the predetermined number of times, and when reaching the number of times, No and Judgment will be made.
非晶質材料が結晶化した層全体の厚さが設計上必要な厚さに達していない場合には、再び、非晶質材料の成膜工程及び結晶化工程を繰り返すため、処理(110)及び判断(111)のループを行い、半導体基板温度が非晶質材料を成膜できる温度になるまで冷却する(図33のE−Fの工程に相当する)。 If the thickness of the entire layer where the amorphous material is crystallized does not reach the thickness required for the design, the amorphous material deposition step and the crystallization step are repeated again. And the loop of judgment (111) is performed, and the semiconductor substrate is cooled until it reaches a temperature at which an amorphous material can be formed (corresponding to the step EF in FIG. 33).
半導体基板温度が非晶質材料を成膜できる温度に達した時点で、判断(111)から処理(104)へ移り、処理(104)及び判断(105)のループにおいて、その温度に半導体基板38を保持しながら、チャンバ内への原料ガス供給及びチャンバ内の原料ガスの圧力制御を行い、第二分割非晶質材料層の成膜を開始する。以後、分割非晶質材料層総膜厚が設計で必要としている膜厚に達するまで処理及び判断(104)〜(111)を繰り返す。処理及び判断(104)〜(111)の繰返しにおいて、判断(109)にてNoの判断がなされた場合(非晶質材料が結晶化した層全体の厚さが設計上必要な厚さに達した場合)、処理(112)及び判断(113)のループ(図33のY−Zに相当する)を開始する。処理(112)では、熱応力等によって製造中の半導体装置に不良が起こらない冷却速度にて半導体基板38の冷却を行い、判断(113)では半導体基板温度が基板の取り出し温度、例えば半導体基板保管温度20℃に達したか否かを判断する。
When the temperature of the semiconductor substrate reaches a temperature at which an amorphous material can be formed, the process moves from the determination (111) to the process (104). In the loop of the process (104) and the determination (105), the temperature of the
半導体基板温度が基板取り出し温度に達したと判断(113)にて判断された時点で、処理(114)に移り、製造装置チャンバ内から半導体基板38を取り出す。この基板取り出し工程をもって本実施例に基づく製造装置を用いた自動制御装置36にコントロールされた全工程を終了することになる(図33のZに相当する)。
When it is determined in the determination (113) that the semiconductor substrate temperature has reached the substrate removal temperature, the process proceeds to the processing (114), and the
尚、工程開始温度或いは基板の取り出し温度は20℃である必要はなく、結晶化温度以下の任意の温度でも差し支えない。更に、該温度は結晶化温度以上でも差し支えないが、この場合は膜堆積時には図32の処理(102)は半導体基板を加熱するではなく冷却することになり、図32の処理(112)では加熱することになる。 The process start temperature or the substrate take-out temperature does not have to be 20 ° C., and any temperature below the crystallization temperature may be used. Further, the temperature may be higher than the crystallization temperature. In this case, however, the process (102) in FIG. 32 is not heating but cooling the semiconductor substrate during film deposition. In the process (112) in FIG. Will do.
図34に、図30及び図31に示した半導体装置の製造装置を用いて、自動制御装置36が処理を行うフローチャートの他の実施例を示す。このフローチャートは実施例2の図17に示した工程を自動制御するためのものである。図34のフローチャートは、図32のフローチャートに非晶質材料層を分割するための他の材料層を成膜する工程が組合わされる。
FIG. 34 shows another embodiment of a flowchart in which the
図34のフローチャートに従って説明する。図中の点線で表示している□の処理は必ず行う工程ではなく、必要に応じて行う工程であることを示す。詳細は後で説明する。工程開始温度を例えば20℃と仮定する。この半導体装置の製造工程制御は図34の(200)から開始される。 This will be described with reference to the flowchart of FIG. The □ process indicated by the dotted line in the figure indicates that the process is not necessarily performed but is performed as necessary. Details will be described later. The process start temperature is assumed to be 20 ° C., for example. The manufacturing process control of this semiconductor device is started from (200) of FIG.
処理及び判断(201)〜(205)の工程は、図32の処理及び判断(101)〜(105)と同一工程であり、この工程においては非晶質材料αの成膜工程までを行う。次の処理(206)についてはこの時点で行っても行わなくてもよい。判断(207)では、非晶質材料αを結晶化した層及びαとは異なる材料βの層の総膜厚が設計膜厚に達していないか否かを判断する。非晶質材料αを未だ結晶化していない層が存在する場合には、その層が結晶化した場合にαとβの層の総膜厚が設計膜厚に達していないか否かを判断する。 Processes and determinations (201) to (205) are the same as the processes and determinations (101) to (105) in FIG. 32. In this step, the film formation process for the amorphous material α is performed. The next process (206) may or may not be performed at this time. In the determination (207), it is determined whether or not the total film thickness of the layer obtained by crystallizing the amorphous material α and the layer of the material β different from α has reached the design film thickness. If there is a layer in which the amorphous material α has not yet been crystallized, it is determined whether the total thickness of the α and β layers has not reached the designed thickness when the layer is crystallized. .
次の処理(208)では、先ず半導体基板温度等を材料βを成膜できる条件にし、その環境を保持しながら、材料βの原料ガスを供給してβ層の成膜を行う。β層の成膜は化学気相蒸着法等によって成膜する場合は前記のように原料ガスを供給するが、スパッタ法等によって成膜する場合には原料ガスではなく、アルゴンガス等の、イオンを加速させてターゲットに衝突させるためのガスを供給することになる。また、β層を非晶質状態で成膜しても結晶の状態で成膜しても差し支えない。判断(209)ではβ層が1回で成膜する厚さに達したか否かを判断し、その厚さに達するまで処理(208)と判断(209)のループを繰り返す。次の処理(210)についてはこの時点で行っても行わなくてもよい。 In the next process (208), first, the temperature of the semiconductor substrate is set to a condition that allows the material β to be formed, and while maintaining the environment, the raw material gas of the material β is supplied to form the β layer. When the β layer is formed by chemical vapor deposition or the like, the source gas is supplied as described above. However, when the film is formed by sputtering or the like, ions such as argon gas are used instead of the source gas. The gas for accelerating and colliding with the target is supplied. Further, the β layer may be formed in an amorphous state or a crystalline state. In the determination (209), it is determined whether or not the β layer has reached the thickness to be formed at one time, and the loop of the processing (208) and the determination (209) is repeated until the thickness is reached. The next process (210) may or may not be performed at this time.
判断(211)では、判断(207)と同様、非晶質材料αを結晶化した層及びαとは異なる材料βの層の総膜厚が設計膜厚に達していないか否かを判断する。非晶質材料αを未だ結晶化していない層が存在する場合には、その層が結晶化した場合にαとβの層の総膜厚が設計膜厚に達していないか否かを判断する。 In the determination (211), as in the determination (207), it is determined whether the total film thickness of the layer obtained by crystallizing the amorphous material α and the layer of the material β different from α has reached the designed film thickness. . If there is a layer in which the amorphous material α has not yet been crystallized, it is determined whether the total thickness of the α and β layers has not reached the designed thickness when the layer is crystallized. .
判断(211)においてNoと判断し(αとβ層の総膜厚が設計値に達したと判断し)、且つ全ての非晶質材料の結晶化が終了している場合には、次の処理(212)に進むが、判断(211)においてNoと判断し、且つ未だ結晶化していない層が残っている場合には、次の処理(212)に進む前に未だ結晶化していない層の結晶化を行う。 In the determination (211), it is determined as No (determined that the total thickness of the α and β layers has reached the design value), and when the crystallization of all the amorphous materials has been completed, Proceed to the process (212), but if the judgment (211) is No, and there is still a layer that has not been crystallized, the layer that has not been crystallized before proceeding to the next process (212). Crystallize.
即ち、処理(206)及び処理(210)は、非晶質材料αの層を他の材料β層で分割して堆積するため、必ずしも毎回行う必要は無いが、全非晶質材料を結晶化させて処理(212)に進むためには、処理(212)に移る前の最後の処理(206)の時点、或いは処理(212)に移る前の最後の処理(210)の時点、或いは処理(212)の直前の何れかに少なくとも1回は結晶化する工程を設けなければならない。 That is, the treatment (206) and the treatment (210) are not necessarily performed every time because the layer of the amorphous material α is divided and deposited with the other material β layer, but the entire amorphous material is crystallized. In order to proceed to the process (212), the time of the last process (206) before moving to the process (212), the time of the last process (210) before moving to the process (212), or the process ( A step of crystallizing must be provided at least once immediately before 212).
上記した非晶質材料を結晶化する工程は、実施例2に示してあるように、各分割非晶質材料層の成膜工程後毎に行っても、レーザ照射による分割非晶質材料層の局所的結晶化行程を行っても、製造工程の短縮化等の理由により、全成膜工程終了後に行ってもよい。 Even if the step of crystallizing the amorphous material described above is performed after each step of forming each divided amorphous material layer as shown in Example 2, the divided amorphous material layer by laser irradiation is used. Even if the local crystallization process is performed, it may be performed after the completion of the entire film formation process for reasons such as shortening the manufacturing process.
以後の工程、処理(212)、処理(213)、処理(214)は、図32において説明した処理(112)、処理(113)、処理(114)の工程と同一である。これらの処理、半導体基板の取り出し温度例えば20℃に達するまでの冷却、及び半導体基板の製造装置チャンバ内から取り出しを行い、本実施例に基づく製造装置を用いた自動制御装置36にコントロールされた全工程を終了することになる。
Subsequent steps, processing (212), processing (213), and processing (214) are the same as the processing (112), processing (113), and processing (114) described in FIG. These processes, semiconductor substrate take-out temperature, for example, cooling to reach 20 ° C., and take-out from the semiconductor substrate manufacturing apparatus chamber, are all controlled by the
尚、工程開始温度或いは基板の取り出し温度は20℃である必要はなく、結晶化温度以下の任意の温度でも差し支えない。更に、該温度は結晶化温度以上でも差し支えないが、この場合は膜堆積時には図34の処理(202)は半導体基板を加熱するではなく冷却することになり、図34の処理(212)では加熱することになる。 The process start temperature or the substrate take-out temperature does not have to be 20 ° C., and any temperature below the crystallization temperature may be used. Further, the temperature may be higher than the crystallization temperature. In this case, however, the process (202) in FIG. 34 cools the semiconductor substrate instead of heating at the time of film deposition. In the process (212) in FIG. Will do.
以上説明した半導体装置の製造装置を用いると、本発明に基づく実施例1、及び実施例2、及び実施例3にて説明した低応力構造をもつ半導体装置の製造を、同一チャンバ内で、かつ一貫した工程を、自動制御にて行うことができるため、製造途中の半導体装置を大気開放することなく、かつ効率よく行うことが可能である。
(実施例6)
次に、本発明の製造装置に関する実施例を図35、図36を用いて説明する。図35は薄膜の成膜方法としてスパッタ法を採用した場合の2極スパッタ装置の断面構成図である。成膜する材料ターゲット41と膜を堆積する基板38を対向させて、ターゲット41と基板38の間に電源39から直流或いは交流電圧を印加し、ガスコントローラ34を経て導入した放電用ガス(例えばアルゴンArガス)を放電させる。
When the semiconductor device manufacturing apparatus described above is used, the manufacture of the semiconductor device having the low stress structure described in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment according to the present invention can be performed in the same chamber. Since a consistent process can be performed by automatic control, a semiconductor device being manufactured can be efficiently performed without opening it to the atmosphere.
(Example 6)
Next, an embodiment relating to the manufacturing apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 35 is a cross-sectional configuration diagram of a bipolar sputtering apparatus when a sputtering method is employed as a thin film forming method. The material target 41 to be deposited and the
基板38は加熱機能を持った保持部(半導体基板治具)32によって保持される。保持部32は温度コントローラ40によって温度制御される。薄膜堆積速度は導入ガス圧力、印加電圧、或いは基板温度等を制御装置36によって制御することによって調整される。
The
制御装置36における薄膜堆積速度及び基板温度の制御方法を図36を用いて説明する。図36は、制御装置36を用いて薄膜を堆積する場合の薄膜堆積速度Vと基板温度Tsの時間制御例を示したものである。薄膜堆積開始時点では、基板温度Tsは結晶化温度よりも十分低い温度に保たれている。
A method of controlling the thin film deposition rate and the substrate temperature in the
この温度状態で、不良事象によって規定される所定の膜厚範囲で一層目の膜を堆積する(L1)。その後、薄膜堆積を中止し、基板温度Tsを結晶化温度Tc以上に上昇させて堆積した膜の結晶化反応を完了させる(C1)。但し、本結晶化は一次の再結晶反応の範囲、すなわち、成長粒の平均粒径が堆積した膜厚程度の成長となるように温度制御を行う。 In this temperature state, the first film is deposited in a predetermined film thickness range defined by the failure event (L1). Thereafter, thin film deposition is stopped, and the substrate temperature Ts is raised to the crystallization temperature Tc or higher to complete the crystallization reaction of the deposited film (C1). However, in this crystallization, the temperature is controlled so that the growth is in the range of the primary recrystallization reaction, that is, the average grain size of the grown grains is about the deposited film thickness.
結晶化反応完了後は、再び基板温度Tsを結晶化温度Tc以下に低下させ、膜堆積を再開する(L2)。所定の膜厚に達した時点で膜堆積を中止し、基板温度Tsを上昇させて二層目の堆積膜を結晶化させる(C2)。薄膜の堆積中止は、放電電圧の印加中止或いは放電臨界電圧以下への降圧、放電ガスの導入中止或いは放電領域外へのガス圧の制御などで達成することができる。また、基板加熱は、保持部32内にヒーター等を内蔵させておけば実現できる。
After completion of the crystallization reaction, the substrate temperature Ts is lowered again to the crystallization temperature Tc or less, and the film deposition is resumed (L2). When the predetermined film thickness is reached, film deposition is stopped, and the substrate temperature Ts is raised to crystallize the second deposited film (C2). Stopping the deposition of the thin film can be achieved by stopping the application of the discharge voltage or reducing the voltage below the discharge critical voltage, stopping the introduction of the discharge gas, or controlling the gas pressure outside the discharge region. Further, the substrate heating can be realized by incorporating a heater or the like in the holding
本実施例においては膜の堆積は2回(L1とL2)行っているが、膜の堆積回数は必ずしも2回に限定されるものではなく、必要回数行えばよい。 In this embodiment, the film is deposited twice (L1 and L2). However, the number of times of film deposition is not necessarily limited to two, and may be performed as many times as necessary.
本実施例によれば、所定の膜厚の薄膜を堆積する製造装置において、不良事象によって規定される最大膜厚以下の膜厚以下の複数回の膜の堆積とその各堆積膜の結晶化を基板を装置外部に取り出すことなく連続的に行える装置を提供できるので、不良事象を生じさせることなく低応力の所定の膜厚の薄膜を堆積する製造装置を提供できるという効果がある。
(実施例7)
次に、本発明の薄膜製造方法の別の実施例を図37、図38、図39、図40を使用して説明する。図37は本実施例による積層薄膜の作製方法を示したものである。
According to the present embodiment, in a manufacturing apparatus for depositing a thin film having a predetermined film thickness, a plurality of times of film deposition of a film thickness equal to or less than the maximum film thickness defined by the failure event and crystallization of each deposited film are performed. Since an apparatus that can continuously perform the process without taking the substrate out of the apparatus can be provided, there is an effect that it is possible to provide a manufacturing apparatus that deposits a thin film having a predetermined thickness with low stress without causing a failure event.
(Example 7)
Next, another embodiment of the thin film manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIGS. 37, 38, 39, and 40. FIG. FIG. 37 shows a method for producing a laminated thin film according to this example.
先ず、シリコン基板4表面に下地膜(シリコン酸化膜)5を形成し、所定濃度の不純物を導入したアモルファス膜、例えばアモルファスシリコン膜を不良事象を発生させない膜厚範囲で堆積し、次にその結晶化反応を完了させ、多結晶シリコン膜6(第1層)を得る。
First, a base film (silicon oxide film) 5 is formed on the surface of the
第2層のアモルファスシリコン薄膜中には、図38に示したように第1層よりも濃度の高い不純物を導入して結晶化反応を完了させ、高濃度の不純物が導入された多結晶シリコン膜6aを得る。第3層の膜中の不純物濃度も第2層と同様に設定し、膜の堆積と結晶化反応を完了させ、高濃度の不純物が導入された多結晶シリコン膜6aを得る。第4層は第1層と同じ濃度の不純物を導入し、膜の堆積と結晶化反応を完了させて、多結晶シリコン膜6を得る。
In the amorphous silicon thin film of the second layer, as shown in FIG. 38, an impurity having a higher concentration than that of the first layer is introduced to complete the crystallization reaction, and the polycrystalline silicon film into which the high concentration of impurity is introduced. 6a is obtained. The impurity concentration in the third layer film is also set in the same manner as in the second layer, the film deposition and the crystallization reaction are completed, and the
本実施例によると、所定の膜厚の多結晶シリコン薄膜を粒径の小さな積層薄膜として得られることにより、低応力状態で膜を形成することができるとともに、膜厚方向に不純物濃度勾配を形成することができる。尚、積層する膜の数は、必ずしも本実施例で述べたように4層である必要はない。 According to this embodiment, a polycrystalline silicon thin film having a predetermined film thickness is obtained as a laminated thin film having a small grain size, so that a film can be formed in a low stress state and an impurity concentration gradient is formed in the film thickness direction. can do. Note that the number of films to be stacked is not necessarily four layers as described in this embodiment.
更に、各層中に導入する不純物のプロファイルも図38に示したようなプロファイルである必然性はなく、目的に応じて任意のプロファイルを形成することが可能である。 Furthermore, the profile of the impurity introduced into each layer is not necessarily the profile as shown in FIG. 38, and an arbitrary profile can be formed according to the purpose.
図39は、本実施例の薄膜製造方法を応用して作製したMOSトランジスタの断面構造を示したものである。不純物としてリン(P)を使用して電気抵抗を低減させる場合を考えてもよい。この場合には、リン(P)が酸化膜中に拡散して酸化膜質の劣化を引き起こすことを極力防止するために第1層のP濃度を図38に示したように低濃度に制御している。 FIG. 39 shows a cross-sectional structure of a MOS transistor manufactured by applying the thin film manufacturing method of this embodiment. A case where phosphorus (P) is used as an impurity to reduce the electrical resistance may be considered. In this case, the P concentration of the first layer is controlled to a low concentration as shown in FIG. 38 in order to prevent phosphorus (P) from diffusing into the oxide film and causing deterioration of the oxide film quality as much as possible. Yes.
本実施例においてはゲート電極となる多結晶シリコン薄膜を結晶粒径の小さな積層薄膜として得ることで低応力化できるという効果があるとともに、膜厚方向の不純物濃度プロファイルを目的に応じて制御できるという効果もある。尚、本実施例に示したゲート電極膜の積層数は必ずしも4層である必要はない。また、不純物プロファイルも、図38に示した以外であっても差し支えない。 In this embodiment, it is possible to reduce the stress by obtaining a polycrystalline silicon thin film as a gate electrode as a laminated thin film having a small crystal grain size, and the impurity concentration profile in the film thickness direction can be controlled according to the purpose. There is also an effect. Note that the number of stacked gate electrode films shown in this embodiment is not necessarily four. Also, the impurity profile may be other than that shown in FIG.
図40は本実施例の薄膜製造方法を配線膜製造に応用した半導体装置の配線薄膜断面構造例を示したものである。例えば図38に示したような不純物プロファイルを与えると、不純物濃度の高い第2層、第3層の電気抵抗が第1層、第4層と比較して低くなり、電流は選択的にこの第2層、第3層を流れることになる。この場合には、ジュール発熱はこの二つの層で主として生じるために、第1層或いは第4層の温度は相対的に低くなり、エレクトロマイグレーションの一因と考えられる原子の表面拡散が抑制されて、結果として耐エレクトロマイグレーション寿命が長くなるという効果も期待できる。 FIG. 40 shows an example of a cross-sectional structure of a wiring thin film of a semiconductor device in which the thin film manufacturing method of this embodiment is applied to wiring film manufacturing. For example, when the impurity profile as shown in FIG. 38 is given, the electric resistances of the second layer and the third layer having a high impurity concentration are lower than those of the first layer and the fourth layer, and the current is selectively applied to the first layer. It will flow through the second and third layers. In this case, since Joule heat is mainly generated in these two layers, the temperature of the first layer or the fourth layer becomes relatively low, and surface diffusion of atoms considered to be a cause of electromigration is suppressed. As a result, the effect of prolonging the electromigration life can be expected.
本実施例においても、膜厚方向の積層膜厚数は必ずしも4層である必要はなく、不純物濃度プロファイルも、図38に示したもの以外でも差し支えない。本実施例においても、膜厚方向の不純物濃度プロファイルを所定の目的に制御した薄膜を微小粒径の積層薄膜として得られるので、不良事象を発生させない低応力状態で薄膜構造を提供できるという効果がある。
(実施例8)
次に、本発明の膜厚決定方法の実施例を図41、図42、図43を使用して説明する。図41は本発明の膜厚決定方法のフローチャートを示したものである。膜分割数Nの初期値を1とする。
Also in the present embodiment, the number of laminated film thicknesses in the film thickness direction is not necessarily four, and the impurity concentration profile may be other than that shown in FIG. Also in this embodiment, since a thin film having a film thickness direction impurity concentration profile controlled for a predetermined purpose can be obtained as a laminated thin film having a small particle size, there is an effect that a thin film structure can be provided in a low stress state that does not cause a failure event. is there.
(Example 8)
Next, an embodiment of the film thickness determination method of the present invention will be described with reference to FIGS. 41, 42, and 43. FIG. FIG. 41 shows a flowchart of the film thickness determination method of the present invention. The initial value of the film division number N is 1.
膜の応力起因の機械的不良事象である膜のはがれや割れ、或いは単結晶基板中の転位発生にはそれぞれ臨界応力が存在することから、処理(300)では、目的の工程において発生する機械的不良事象に対応する臨界応力σcを決定する。処理(301)では、設計上必要な抵抗値を満足するような配線等の断面積、或いは容量値等を満足するような表面積等から必要なトータルの膜厚Ttを決定する。 Since there is a critical stress in each of the peeling and cracking of the film, which is a mechanical failure event caused by the stress of the film, and in the occurrence of dislocations in the single crystal substrate, in the process (300), the mechanical that occurs in the target process The critical stress σc corresponding to the failure event is determined. In the process (301), the required total film thickness Tt is determined from the cross-sectional area of the wiring or the like that satisfies the resistance value necessary for design, or the surface area that satisfies the capacitance value or the like.
結晶化反応或いはシリサイド反応においては図42に示すように反応完了後の結晶粒径Lと膜内に発生する応力σには相関関係がある。この両者の関係を表す関数fは、反応前後の結晶粒径、膜のヤング率などの関数である。処理(302)では、この粒径と膜応力の関係σ=f(L)を把握する。膜の応力起因の機械的不良事象である膜のはがれや割れ、或いは単結晶基板中の転位発生にはそれぞれ臨界応力σcが存在するので、臨界結晶粒径Lcが、それぞれの不良事象に応じて定まる。 In the crystallization reaction or silicide reaction, as shown in FIG. 42, there is a correlation between the crystal grain size L after completion of the reaction and the stress σ generated in the film. The function f representing the relationship between the two is a function of the crystal grain size before and after the reaction, the Young's modulus of the film, and the like. In the process (302), the relationship σ = f (L) between the particle size and the film stress is grasped. Since there is a critical stress σc for film peeling and cracking, which is a mechanical failure event due to the stress of the film, or for the occurrence of dislocations in a single crystal substrate, the critical crystal grain size Lc depends on each failure event. Determined.
一般に、熱処理によって薄膜に一次の再結晶反応を生じさせると、発生する結晶粒径は膜厚程度になることが知られている。従ってこの一次の再結晶反応を考慮すると、図43に示したように膜厚と発生応力の関係を知ることができる。処理(303)では、この膜厚と発生応力の関係σ=g(T)を把握する。機械的不良事象の臨界応力σcに対応する臨界膜厚Tcも同様に、夫々の不良事象に応じて定めることが可能である。堆積したい一層当たりの膜厚Tuが決定されると、その膜厚の非晶質材料層を一回で結晶化反応或いはシリサイド反応を生じさせた場合の一層当たりの膜発生応力σuは図43からただちに読み取ることができるので、発生応力σuが不良事象を発生させるか否かを判定することができる。 In general, it is known that when a primary recrystallization reaction is caused in a thin film by heat treatment, the generated crystal grain size is about the film thickness. Therefore, considering this primary recrystallization reaction, the relationship between the film thickness and the generated stress can be known as shown in FIG. In the process (303), the relationship σ = g (T) between the film thickness and the generated stress is grasped. Similarly, the critical film thickness Tc corresponding to the critical stress σc of the mechanical failure event can be determined in accordance with each failure event. When the film thickness Tu per layer to be deposited is determined, the film generation stress σu per layer when an amorphous material layer having the film thickness is caused to undergo crystallization reaction or silicide reaction at a time is shown in FIG. Since it can be read immediately, it can be determined whether or not the generated stress σu causes a defective event.
判断(304)では膜内発生応力が臨界応力σc以下であるか否かを判断する。発生応力が不良事象の臨界応力値以下の場合(判断(304)においてYesと判断された場合)にはそのまま膜を1回で堆積して結晶化反応を完了させればよい。この場合、処理(305)において最終的に決定される一回に成膜可能な膜厚はTu=Ttとなる。しかし、発生応力が不良事象発生の臨界応力値よりも大きい場合(判断(304)においてNoと判断された場合)には、膜の分割を考えなければならない。 In judgment (304), it is judged whether the stress generated in the film is not more than the critical stress σc. When the generated stress is equal to or lower than the critical stress value of the failure event (when judged Yes in judgment (304)), the film may be deposited as it is to complete the crystallization reaction. In this case, the film thickness that can be formed at one time finally determined in the process (305) is Tu = Tt. However, when the generated stress is larger than the critical stress value at which the defective event occurs (when determined No in the determination (304)), it is necessary to consider the division of the film.
判断(304)においてNoと判断された場合には処理(306)へ進み、膜分割数をN=N+1とする。処理(307)では、処理(306)にて新たに決定された膜分割数Nを用いて、新たな1層当たりの膜厚TuをTu=Tt/Nとして決定する。処理(308)においては、処理(307)で新たに決定された膜厚Tuの非晶質材料層を結晶化した場合に生じる膜発生応力σuを、処理(303)で把握した膜厚と発生応力の関係σ=g(T)から求める。 When it is determined No in the determination (304), the process proceeds to the processing (306), and the number of film divisions is set to N = N + 1. In the process (307), the new film thickness Tu per layer is determined as Tu = Tt / N using the film division number N newly determined in the process (306). In the process (308), the film thickness and the occurrence of the film generation stress σu generated when the amorphous material layer having the film thickness Tu newly determined in the process (307) is crystallized are grasped in the process (303). It is obtained from the stress relationship σ = g (T).
判断(309)では、機械的不良事象の発生の有無が最終的な膜の残留応力で決定されるのか否かを判断する。不良事象の発生の有無が最終的な膜の残留応力で決定される場合(処理(309)においてYesと判断される場合)には、処理(311)において膜発生応力=Nσuとして、判断及び処理(304)〜(309)、(311)のループを繰り返し、N層に分割した膜の発生する応力の和Nσuが不良事象の臨界応力値σcを超えないような条件(分割数)が得られるまで分割を繰り返す。 In the determination (309), it is determined whether or not the occurrence of a mechanical failure event is determined by the final residual stress of the film. If the occurrence of a defective event is determined by the final residual stress of the film (when it is determined Yes in the process (309)), the film generation stress = Nσu is determined and processed in the process (311). By repeating the loops (304) to (309) and (311), a condition (number of divisions) is obtained such that the sum Nσu of the stresses generated by the film divided into N layers does not exceed the critical stress value σc of the failure event. Repeat splitting until.
不良事象の発生の有無が最終的な膜の残留応力で決定されずに結晶化反応或いはシリサイド反応1回当たりの応力変動で決定されるような場合(処理(309)においてNoと判断される)には、処理(310)において膜発生応力=σuとして、判断及び処理(304)〜(310)のループを繰り返し、N層に分割した各膜厚当たりの発生応力σuが不良事象発生の臨界応力値σcを超えないような条件(分割数)を選択すればよい。 In the case where the presence or absence of a defective event is not determined by the final residual stress of the film but is determined by the stress fluctuation per crystallization reaction or silicide reaction (determined as No in the processing (309)) In the process (310), the film generation stress = σu is repeated, and the loops of the determination and the processes (304) to (310) are repeated, and the generated stress σu for each film thickness divided into N layers is the critical stress for the occurrence of a defective event. A condition (number of divisions) that does not exceed the value σc may be selected.
判断及び処理(304)〜(309)、(311)のループ、或いは判断及び処理(304)〜(310)のループは、判断(304)にて膜発生応力<σcと判断された時点で終了し、処理(305)において最終的な一層当たりの膜厚Tuの決定を行う(このTuは最後に処理(307)を行ったときに決定されたTuがそのまま適用される)。 The loop of judgment and processing (304) to (309), (311) or the loop of judgment and processing (304) to (310) is terminated when the film generation stress <σc is judged in judgment (304). In the process (305), the final film thickness Tu per layer is determined (the Tu determined when the process (307) was last performed is applied as it is).
いずれの場合も各分割した膜の膜厚は必ずしも一定である必要はなく、異なっても差し支えない。以上のような方法で、最適な一回当たりの堆積膜厚を決定することができる。但し、図41では示していないが、どうしても有限の分割数Nが得られない場合或いは得られても分割数が実用的ではない(例えばN=10以上)場合には、必要膜厚Ttの見直しを行う必要がある。 In any case, the thickness of each divided film is not necessarily constant, and may be different. The optimum deposited film thickness can be determined by the above method. However, although not shown in FIG. 41, if the finite number of divisions N cannot be obtained or the number of divisions is not practical (for example, N = 10 or more), the required film thickness Tt is reviewed. Need to do.
本実施例においては、不良事象を発生させない低応力状態で所定の膜厚の薄膜を複数回の堆積回数分割による積層構造として得る場合の、1回当たりの堆積膜厚を容易に決定できるという効果がある。尚、粒径の最適範囲は10nm(ナノメータ)〜5μm(ミクロン)であり、膜厚の最適範囲は10nm〜1μmである。 In this embodiment, when a thin film having a predetermined film thickness is obtained as a laminated structure by dividing the number of times of deposition in a low stress state that does not cause a failure event, the effect of easily determining the deposited film thickness per time is obtained. There is. The optimum range of particle diameter is 10 nm (nanometer) to 5 μm (micron), and the optimum range of film thickness is 10 nm to 1 μm.
1,7…半導体装置、2,8…積層構造ゲート電極、3…LOCOS、4…p型シリコン半導体基板、5,5a…酸化シリコン絶縁膜、6,6a…分割多結晶シリコン層、9…分割多結晶シリコン層とは異なる材料の層、11,11a,11b…シリコン窒化膜、12a,12b,12c,12d,12e…ホトレジスト、13…分割アモルファスシリコン層、14…分割多結晶シリコン層積層構造薄膜、15…多結晶シリコンと他の材料との交互積層構造薄膜、16…層間絶縁膜、17…Al配線層、18…絶縁膜、19…金属シリサイド層、20…金属薄膜層、31…チャンバ、32…半導体基板治具、33…加熱装置、34…ガスコントローラ、35…排気装置、36…自動制御装置、37…レーザ照射装置、38…半導体基板、39…電源、40…温度コントローラ、41…スパッタターゲット。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該ゲート電極の導電性薄膜を、非晶質層を堆積する工程と該堆積非晶質材料を結晶化する工程とを複数回連続して繰り返すことにより形成し、
該非晶質層を堆積する工程は、該堆積非晶質材料に含めるべき不純物を含むガスを使用することを特徴とするゲート電極の製造方法。 In a method for manufacturing a gate electrode having a conductive thin film on a semiconductor substrate,
Forming the conductive thin film of the gate electrode by repeating the step of depositing an amorphous layer and the step of crystallizing the deposited amorphous material a plurality of times in succession;
The method of manufacturing a gate electrode , wherein the step of depositing the amorphous layer uses a gas containing impurities to be included in the deposited amorphous material.
該非晶質層を堆積する工程は、ジシラン(Si2H6)とホスフィン(PH3)のガスを気相反応させるものであることを特徴とするゲート電極の製造方法。 In the manufacturing method of the gate electrode according to claim 1 ,
The method for manufacturing a gate electrode, characterized in that the gas disilane (Si 2 H 6) and phosphine (PH 3) in which vapor phase reaction of depositing the amorphous layer.
前記複数回に分割して堆積する非晶質層内の不純物濃度が、隣接して堆積する層の少なくとも二つの層間で異なることを特徴とするゲート電極の製造方法。 In the manufacturing method of the gate electrode according to claim 1 or 2,
A method of manufacturing a gate electrode , characterized in that the impurity concentration in the amorphous layer deposited by being divided into a plurality of times is different between at least two layers of adjacently deposited layers.
前記非晶質材料を結晶化させる工程が、該非晶質層の全面の、或いは選択的に該非晶質層の局所部分のみの、レーザ照射による非晶質材料の結晶化工程であることを特徴とするゲート電極の製造方法。 In the manufacturing method of the gate electrode according to any one of claims 1 to 3 ,
The step of crystallizing the amorphous material is a step of crystallizing the amorphous material by laser irradiation over the entire surface of the amorphous layer or selectively only in a local portion of the amorphous layer. A manufacturing method of a gate electrode .
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